DE102019123910B4 - Compensating for a retardation property in an elastic polymer of a dielectric device - Google Patents
Compensating for a retardation property in an elastic polymer of a dielectric device Download PDFInfo
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Abstract
Eine dielektrische Vorrichtung (100), insbesondere ein dielektrischer Aktor und/oder ein dielektrischer Sensor, welche aufweist:eine Mehrzahl von Elektroden (110, 120, 121), welche jeweils haben:einen funktionellen Bereich (112), welcher entlang zweier Haupterstreckungsrichtungen (x, y) ausgebildet ist und eine erste Ebene aufspannt; undeine Mehrzahl von elastischen Dielektrika (130, 131), wobei jedes Dielektrikum (130, 131) entlang der zwei Haupterstreckungsrichtungen (x, y) ausgebildet ist und eine zweite Ebene aufspannt;wobei die Elektroden (110, 120, 121) und die elastischen Dielektrika (130, 131) alternierend angeordnet sind;wobei zumindest ein elastisches Dielektrikum (130) ein elastisches Polymer mit einer Retardation-Eigenschaft in Bezug auf eine Deformation unter einer Last aufweist; undwobei die dielektrische Vorrichtung (100) eine Kompensationsmaßnahme aufweist, um die Retardation-Eigenschaft zumindest teilweise zu kompensieren, wobei die Kompensationsmaßnahme aufweist:das zumindest eine elastische Dielektrikum (130) weist einen ersten Vernetzungsbereich und einen zweiten Vernetzungsbereich auf, wobei der erste Vernetzungsbereich von dem zweiten Vernetzungsbereich verschieden ist.A dielectric device (100), in particular a dielectric actuator and/or a dielectric sensor, which has: a plurality of electrodes (110, 120, 121), which each have: a functional area (112) which extends along two main directions of extent (x , y) is formed and spans a first plane; anda plurality of elastic dielectrics (130, 131), each dielectric (130, 131) being formed along the two main directions of extension (x, y) and spanning a second plane;wherein the electrodes (110, 120, 121) and the elastic dielectrics (130, 131) are arranged alternately;wherein at least one elastic dielectric (130) comprises an elastic polymer having a retardation property with respect to deformation under a load; andwherein the dielectric device (100) has a compensation measure to at least partially compensate for the retardation property, the compensation measure having:the at least one elastic dielectric (130) has a first crosslinking region and a second crosslinking region, the first crosslinking region being separated from the second crosslinking area is different.
Description
Die Erfindung betrifft eine dielektrische (Elastomer) Vorrichtung (insbesondere einen dielektrischen Aktor und/oder einen dielektrischen Sensor). Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines dielektrischen Aktors und/oder eines dielektrischen Sensors. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verwenden von einem Höhenbewegung-Begrenzungsmittel in einer dielektrischen Vorrichtung.The invention relates to a dielectric (elastomer) device (in particular a dielectric actuator and/or a dielectric sensor). Furthermore, the invention relates to a method for producing a dielectric actuator and/or a dielectric sensor. In addition, the invention relates to using a height movement limiting means in a dielectric device.
Die Erfindung kann sich somit auf das technische Gebiet von dielektrischen Vorrichtungen beziehen. Insbesondere kann sich die Erfindung auf das technische Gebiet der dielektrischen (Elastomer) Aktoren und/oder dielektrischen (Elastomer) Sensoren beziehen. Ferner kann sich die Erfindung auf das Kompensieren von Retardation-Eigenschaften in elastischen Polymeren, welche in einer dielektrischen Vorrichtung verwendet werden, beziehen.The invention can thus relate to the technical field of dielectric devices. In particular, the invention can relate to the technical field of dielectric (elastomer) actuators and/or dielectric (elastomer) sensors. Furthermore, the invention may relate to compensating for retardation properties in elastic polymers used in a dielectric device.
Eine dielektrische Vorrichtung, wie z.B. ein dielektrischer (Elastomer) Aktor (DEA), ein dielektrischer (Elastomer) Sensor (DES) oder eine Mischform (DEAS), ist im Prinzip wie ein nachgiebiger elektrostatischer Kondensator aufgebaut. Eine passive Elastomerschicht (bzw. eine Polymerschicht) wird zwischen zwei Elektrodenplatten eingeklemmt. Wenn eine elektrische Spannung U angelegt wird (also im Betriebsmodus), ziehen sich die gegenüberliegenden Elektrodenplatten aufgrund des elektrostatischen Druckes (pel) an. Die inkompressible Elastomerschicht wird dann in Höhenrichtung zusammengedrückt und dehnt sich in seitlicher Richtung aus (Flächendehnung). Der elektrostatische Druck, welcher die Deformation verursacht, wird von der Dielektrizitätskonstanten, der Dielektrizitätszahl, und der Dicke des Materials sowie der angelegten Spannung bestimmt.A dielectric device, such as a dielectric (elastomer) actuator (DEA), dielectric (elastomer) sensor (DES), or hybrid (DEAS), is constructed in principle like a compliant electrostatic capacitor. A passive layer of elastomer (or polymer) is sandwiched between two electrode plates. When an electrical voltage U is applied (i.e. in the operating mode), the opposite electrode plates attract each other due to the electrostatic pressure (p el ). The incompressible elastomer layer is then compressed in the vertical direction and expands in the lateral direction (area expansion). The electrostatic pressure that causes the deformation is determined by the dielectric constant, the relative permittivity, and the thickness of the material and the applied voltage.
Der im Betriebsmodus auftretende äquivalente elektromechanische Druck peq ist doppelt so groß wie der elektrostatische Druck pel und lässt sich berechnen als: peq = ε0*εr*(U2/z2), wobei ε0 die Permittivität des Vakuums, εr die Dielektrizitätskonstante, und z die Schichtdicke der Elastomerschicht ist.The equivalent electromechanical pressure p eq occurring in the operating mode is twice the electrostatic pressure p el and can be calculated as: p eq = ε 0 *ε r *(U 2 /z 2 ), where ε 0 is the permittivity of the vacuum, ε r is the dielectric constant, and z is the layer thickness of the elastomer layer.
Die Bewegung wird also durch die elektrostatischen Kräfte, welche auf die Elastomerschicht zwischen zwei Elektrodenplatten wirken, erzeugt. In einem Beispiel erreicht ein dielektrischer Aktor bei einer Feldstärke von 30 V/µm eine Dehnung von bis zu 20 %. Übliche unidirektionale Dehnungen von dielektrischen Aktoren liegen z.B. in dem Bereich 10 bis 35 %, Maximalwerte bei bis zu 300 %.The movement is thus generated by the electrostatic forces which act on the elastomer layer between two electrode plates. In one example, a dielectric actuator achieves an elongation of up to 20% at a field strength of 30 V/µm. Usual unidirectional strains of dielectric actuators are, for example, in the range of 10 to 35%, maximum values are up to 300%.
Da die Elastomerschicht nahezu inkompressibel ist, bleibt das Volumen während der Deformation im Prinzip konstant. Beim Reduzieren der Spannung fließen die überschüssigen Ladungen über die Spannungsquelle ab, so dass die Elastomerschicht in die ursprüngliche Form zurückkehrt und aufgrund der gespeicherten elastischen Energie Kräfte ausüben kann.Since the elastomer layer is almost incompressible, the volume remains constant during deformation. When the voltage is reduced, the excess charges flow away via the voltage source, so that the elastomer layer returns to its original shape and can exert forces due to the stored elastic energy.
Dieses Prinzip kann sowohl als Aktor als auch als Sensor genutzt werden und bietet eine Mehrzahl von vielversprechenden technischen Anwendungsmöglichkeiten. Besondere Vorteile dieser dielektrischen Vorrichtungen können sein, dass diese leicht, flexibel und geräuschlos sein können und zudem niedrige Materialkosten verursachen. Allerdings stehen diesen vorteilhaften Anwendungsmöglichkeiten derzeit noch ungelöste fertigungs- und zuverlässigkeitsrelevante Fragestellungen entgegen.This principle can be used both as an actuator and as a sensor and offers a number of promising technical applications. Particular advantages of these dielectric devices can be that they can be light, flexible and noiseless and also cause low material costs. However, these advantageous application options are currently opposed to unresolved production and reliability issues.
So kann eine Retardation (bzw. Nachkriechen) Eigenschaft einem elastischen Polymer (insbesondere einem Elastomer) inhärent sein und beispielsweise bei der Bewegung einer dielektrischen Elastomer Vorrichtung in Höhenrichtung (z) nachteilig wirken. Insbesondere bei Bewegungen mit grossem Hub in Höhenrichtung kann diese Problematik zur Überschreitung des elastischen Verhaltens des elastischen Polymers führen und zu dem dazugehörenden Übergang in eine plastische, nichtreversible Verformung.A retardation (or creep) property can be inherent in an elastic polymer (in particular an elastomer) and have a disadvantageous effect, for example, when a dielectric elastomer device moves in the height direction (z). Especially in the case of movements with a large stroke in the vertical direction, this problem can lead to the elastic behavior of the elastic polymer being exceeded and to the associated transition to plastic, irreversible deformation.
Neben der Retardation im Kurzzeitverhalten (Sekunden bis Tage) existiert auch eine Retardation im Langzeitverhalten (Tage bis Jahre). Letzteres führt insbesondere zu Materialalterung (abhängig von den Langzeitumgebungsbedingungen). Die Retardation kann bei Polymeren je nach Herstellung, Zusammensetzung, Füllstoff und Füllgrad mehrere 100 % betragen und damit ein massiv störender Nebeneffekt sein.In addition to the retardation in the short-term behavior (seconds to days), there is also a retardation in the long-term behavior (days to years). The latter in particular leads to material aging (depending on the long-term environmental conditions). Depending on the production, composition, filler and degree of filling, the retardation of polymers can amount to several 100% and can therefore be a massively disruptive side effect.
US 2005 / 0 253 482 A1 beschreibt ein Sensor Feedback System für einen auf elektroaktivem Polymer (EAP) basierenden Transducer. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das System ein Nutzerinterface auf, welches von einem Steuersystem angesteuert wird. Das Steuersystem ist mit einem Verstärker und Sensor Tone Generator gekoppelt, welcher wiederum mit dem Transducer gekoppelt ist. Der Transducer nimmt Störungen aus der Umgebung auf und reagiert entsprechend. Eine Ausgabe das Transducers wird einem Sensor Rückkoppelschaltkreis bereitgestellt, welcher entweder Daten direkt an das Steuersystem schickt oder über eine Rückkoppel-Schleife zurück an Einheit und Transducer.US 2005/0 253 482 A1 describes a sensor feedback system for a transducer based on an electroactive polymer (EAP). According to one embodiment, the system has a user interface that is controlled by a control system. The control system is coupled to an amplifier and sensor tone generator, which in turn is coupled to the transducer. The transducer picks up disturbances from the environment and reacts accordingly. An output of the transducer is provided to a sensor feedback circuit which either sends data directly to the control system or back to the unit and transducer via a feedback loop.
WO 2009 / 132 653 A1 beschreibt ein Kompositmaterial mit als Muster angeordneten Fasern zum Bereitstellen von anisotropen Eigenschaften. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird ein Elastomer (z.B. 10-200 µm dicker Silikonfilm) bereitgestellt, welcher zwischen zwei Faserkörpern angeordnet ist. Die Faserkörper können ein Elastomer (z.B. ebenfalls Silikon) aufweisen, in welchem Fasern (bevorzugt PTFE (Teflon)) gewebt oder nicht-gewebt eingebettet sind. Der Faserkörper kann zudem elektrisch leitfähige Teile aufweisen.WO 2009/132 653 A1 describes a composite material with fibers arranged as a pattern to provide anisotropic properties. According to one embodiment, an elastomer (e.g. 10-200 µm thick silicone film) is provided, which is arranged between two fiber bodies. The fiber bodies can have an elastomer (e.g. also silicone) in which fibers (preferably PTFE (Teflon)) are embedded in a woven or non-woven manner. The fiber body can also have electrically conductive parts.
WO 2013 / 142 552 A1 beschreibt einen Prozess zum Herstellen einer elektroaktiven Polymervorrichtung mittels eines Rolle-zu-Rolle Verfahrens. Man sieht einen dielektrischen Elastomerfilm vor, welcher auf einen Träger laminiert ist, und streckt (elastische Deformation) den dielektrischen Elastomerfilm in einer Richtung senkrecht zu der Transportrichtung und wendet dann ein elektrisch leitfähiges Material auf den Elastomerfilm an. Durch das Zusammenziehen (Relaxation) des Elastomerfilms nach dem Strecken bildet sich die Elektrodenschicht in einer gerippten („corrugated electrode“) Weise.WO 2013/142 552 A1 describes a process for producing an electroactive polymer device using a roll-to-roll method. A dielectric elastomer film is provided which is laminated on a support, and stretching (elastic deformation) the dielectric elastomer film in a direction perpendicular to the transport direction, and then applying an electrically conductive material to the elastomer film. The contraction (relaxation) of the elastomeric film after stretching forms the electrode layer in a corrugated electrode manner.
WO 2014 / 131 895 A1 beschreibt ein Herstellungsverfahren eines mehrschichtigen dielektrischen Polyurethanfilmsystems.WO 2014/131 895 A1 describes a manufacturing process for a multilayer dielectric polyurethane film system.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine dielektrische Vorrichtung mit einem elastischen Polymer bereitzustellen, in welcher eine Retardation-Eigenschaft des Polymers effizient und zuverlässig (zumindest teilweise) kompensiert ist.It is an object of the present invention to provide a dielectric device with an elastic polymer in which a retardation property of the polymer is efficiently and reliably (at least partially) compensated.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.This object is solved by the subject matter according to the independent patent claims. Preferred configurations emerge from the dependent patent claims.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist eine dielektrische Vorrichtung, insbesondere ein dielektrischer Aktor und/oder ein dielektrischer Sensor, beschrieben. Die dielektrische Vorrichtung weist auf: i) eine Mehrzahl von Elektroden, welche jeweils haben: einen funktionellen Bereich, welcher entlang zweier Haupterstreckungsrichtungen (x, y) ausgebildet ist und eine erste Ebene aufspannt, und ii) eine Mehrzahl von elastischen Dielektrika, wobei jedes Dielektrikum entlang der zwei Haupterstreckungsrichtungen (x, y) ausgebildet ist und eine zweite Ebene aufspannt. Die Elektroden und die elastischen Dielektrika sind alternierend angeordnet. Zumindest ein elastisches Dielektrikum weist ein elastisches Polymer (insbesondere ein Elastomer) mit einer Retardation-Eigenschaft (bzw. einem Kriechverhalten, beispielsweise beschrieben mittels dem Kriechmodul) in Bezug auf eine (insbesondere plastische) Deformation unter einer Last (bzw. einer Kraft, insbesondere einer Spannung/Dehnung) auf. Hierbei weist die dielektrische Vorrichtung eine Kompensationsmaßnahme (z.B. mechanisch, elektrisch oder chemisch) auf, um die Retardation-Eigenschaft (zumindest teilweise) zu kompensieren. Die Kompensationsmaßnahme weist auf:
- das zumindest eine elastische Dielektrikum weist einen ersten Vernetzungsbereich und einen zweiten Vernetzungsbereich auf, wobei der erste Vernetzungsbereich von dem zweiten Vernetzungsbereich verschieden ist.
- the at least one elastic dielectric has a first crosslinking area and a second crosslinking area, wherein the first crosslinking area differs from the second crosslinking area.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen der oben ausgeführten Vorrichtung beschrieben. Das Verfahren weist auf: i) alternierendes Bereitstellen der Mehrzahl von Elektroden und der Mehrzahl von elastischen Dielektrika, um die oben beschriebene dielektrische Vorrichtung zu erhalten, wobei zumindest ein elastisches Dielektrikum ein elastisches Polymer mit einer Retardation-Eigenschaft bezüglich einer Deformation unter einer Last aufweist, und ii) (zumindest teilweises) Kompensieren der Retardation-Eigenschaft.According to a further aspect of the invention, a method for producing the device set out above is described. The method comprises: i) alternately providing the plurality of electrodes and the plurality of elastic dielectrics to obtain the dielectric device described above, wherein at least one elastic dielectric comprises an elastic polymer having a retardation property with respect to deformation under a load, and ii) (at least partially) compensating for the retardation property.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verwenden beschrieben eines mechanischen Höhenbewegung-Begrenzungsmittels (z.B. einem Tiefen/Höhen-Anschlagmittel) zum Kompensieren einer Retardations-Eigenschaft eines elastischen Polymers in einer dielektrischen Vorrichtung (insbesondere einer Vorrichtung wie oben beschrieben), welche als (DEAS) Stapelsystem ausgebildet ist.According to a further aspect of the invention, there is described using a mechanical height movement limiting means (e.g. a depth/height stop means) for compensating for a retardation property of an elastic polymer in a dielectric device (in particular a device as described above), which as (DEAS ) Stack system is formed.
Im Rahmen dieses Dokuments kann unter dem Begriff „dielektrischer (Elastomer) Aktor (DEA)“ insbesondere ein Aktor verstanden werden, welcher aus zwei Elektroden und einer dazwischenliegenden feder- oder elastizitätsbasierenden dielektrischen Distanzhaltung, insbesondere aus Elastomermaterial, besteht. Die aktorische Wirkung wird durch das Wechselspiel der Federkräfte zwischen den Elektroden(platten) einerseits und der Coulombschen Anziehung zwischen den Elektroden andererseits verstanden.In the context of this document, the term “dielectric (elastomer) actuator (DEA)” can be understood in particular to mean an actuator which consists of two electrodes and an intermediate spring or elasticity-based dielectric spacer, in particular made of elastomer material. The actuator effect is understood by the interplay of the spring forces between the electrodes (plates) on the one hand and the Coulomb attraction between the electrodes on the other.
Im Rahmen dieses Dokuments kann unter dem Begriff „dielektrischer (Elastomer) Sensor (DES)“ insbesondere ein Sensor verstanden werden, welcher aus zwei Elektroden und einer dazwischenliegenden feder- oder elastizitätsbasierenden dielektrischen Distanzhaltung, insbesondere aus Elastomermaterial, besteht. Die sensorische Messgrösse wird aus der durch den Elektrodenabstand bestimmten Kapazität, bzw. durch die bei Distanzänderungen des Elektrodenabstandes entstehende Kapazitätsveränderung gewonnen.In the context of this document, the term “dielectric (elastomer) sensor (DES)” can be understood in particular as meaning a sensor which consists of two electrodes and an intermediate spring or elasticity-based dielectric spacer, in particular made of elastomer material. The sensory measured variable is obtained from the capacitance determined by the distance between the electrodes, or from the change in capacitance that occurs when the distance between the electrodes changes.
Im Rahmen dieses Dokuments kann unter dem Begriff „dielektrischerAktor und Sensor (DEAS)“ insbesondere eine Kombination der Prinzipien von DEA und DES in einem System verstanden werden. Merkmale, welche für einen DEA gelten, können auch für einen DES gelten und umgekehrt.In the context of this document, the term "dielectric actuator and sensor (DEAS)" can be understood in particular as a combination of the principles of DEA and DES in one system. Features that apply to a DEA can also apply to a DES and vice versa.
Im Rahmen dieses Dokuments kann das beschriebene Koordinatensystem so verstanden werden, dass die Richtungen x und y (als Haupterstreckungsrichtungen) die Fläche einer Elektrode aufspannen und die Höhenrichtung z hierzu entlang der Distanzrichtung von zwei einander gegenüberliegenden (parallel ausgerichteten) Elektroden ausgerichtet ist. In einem Ausführungsbeispiel hinsichtlich eines Herstellungsprozesses kann x der Breite (cross-direction (CD) bei einer reel-to-reel Produktion) und y der Verarbeitungsrichtung (machine direction (MD) bei einer reel-to-reel Produktion) entsprechen.In the context of this document, the coordinate system described can be understood in such a way that the directions x and y (as main directions of extent) span the surface of an electrode and the height direction z is aligned along the distance direction of two opposite (parallel aligned) electrodes. In an exemplary embodiment with regard to a manufacturing process, x can correspond to the width (cross-direction (CD) in reel-to-reel production) and y to the processing direction (machine direction (MD) in reel-to-reel production).
Im Rahmen dieses Dokuments kann unter dem Begriff „Elektrode“ insbesondere ein Elektronenleiter verstanden werden, der mit einer Gegenelektrode (dann als Anode und Kathode bezeichnet, bzw. als ein Pluspol und ein Minuspol) via einem zwischen den beiden Elektroden befindlichen (dielektrischen) Medium in Wechselwirkung steht. Auf diese Weise kann ein elektrisches Feld zwischen den Elektroden erzeugt werden. Eine Elektrode kann hierbei einen „funktionellen (aktiven) Bereich“ aufweisen oder auch vollständig aus dem funktionellen Bereich bestehen. Der funktionelle Bereich ist elektrisch leitfähig (insbesondere ein Metall aufweisend) und kann damit den aktiven Teil der Elektrode bilden, welcher elektrisch mit der Gegenelektrode in Wechselwirkung tritt. Ferner kann eine Elektrode einen elektrisch nicht leitfähigen Bereich, z.B. ein Trägermaterial, aufweisen, auf welchen der funktionelle Bereich (z.B. als Metallfolie) aufgebracht ist. Weiterhin kann eine Elektrode einen (elektrisch leitfähigen) Kontaktbereich aufweisen, an welchem die Elektrode kontaktiert werden kann, bzw. an welchem eine Spannung angelegt werden kann. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Metall der Elektrode (bzw. des funktionellen Bereiches) zumindest eines aus der Gruppe, welche besteht aus: Ag, Al, Au, Be, Cr, Cu, Fe, In, Mg, Mo, Ni, Pb, Pd, Pt, Rh, Sb, Sn, Ti, Zn, sowie Legierungen daraus. Legierungsbestandteile unter 2% Gewichtsanteil können auch aus weiteren Metallen bestehen (z.B. Si, As, etc.). Legierungen können zum Beispiel umfassen: Eisenlegierung, Messing, Bronze, Edelstahl, Aluminium, etc. Um z.B. Unverträglichkeiten zu vermeiden, können auch Metall-Mehrschichtaufbauten möglich sein, beispielsweise Kupfer auf Polymer.In the context of this document, the term "electrode" can be understood in particular as an electron conductor which is connected to a counter-electrode (then referred to as anode and cathode, or as a positive pole and a negative pole) via a (dielectric) medium located between the two electrodes in interaction stands. In this way, an electric field can be generated between the electrodes. An electrode can have a "functional (active) area" or consist entirely of the functional area. The functional area is electrically conductive (particularly containing a metal) and can thus form the active part of the electrode, which electrically interacts with the counter-electrode. Furthermore, an electrode can have an electrically non-conductive area, e.g. a carrier material, to which the functional area (e.g. as a metal foil) is applied. Furthermore, an electrode can have an (electrically conductive) contact area, to which the electrode can be contacted, or to which a voltage can be applied. According to one embodiment, the metal of the electrode (or of the functional area) is at least one from the group consisting of: Ag, Al, Au, Be, Cr, Cu, Fe, In, Mg, Mo, Ni, Pb, Pd , Pt, Rh, Sb, Sn, Ti, Zn, and alloys thereof. Alloy components below 2% by weight can also consist of other metals (e.g. Si, As, etc.). Alloys can include, for example: iron alloys, brass, bronze, stainless steel, aluminum, etc. In order to avoid incompatibilities, for example, multilayer metal structures can also be possible, for example copper on polymer.
Im Rahmen dieses Dokuments kann der Begriff „Dielektrikum“ insbesondere jedes Material (bzw. Substanz) bezeichnen, in welchem Ladungsträger im Wesentlichen nicht frei beweglich sind. Dadurch ergibt sich eine elektrisch schwach leitende bis nicht leitende Eigenschaft. Ein Dielektrikum kann z.B. ein (elastisches) Polymer, insbesondere ein Elastomer, sein. Ein Dielektrikum kann kein Metall sein. Bezüglich einer dielektrischen Vorrichtung kann das Dielektrikum ein elastisches Dielektrikum, z.B. ein dielektrisches Polymer (DE) sein. Dielektrische Polymere werden zusammen mit piezoelektrischen Polymeren und elektrostriktiven Polymeren auch als elektroaktive Polymere (EAP) bezeichnet.In the context of this document, the term “dielectric” can refer in particular to any material (or substance) in which charge carriers are essentially not freely movable. This results in an electrically weakly conductive to non-conductive property. A dielectric can eg an (elastic) polymer, in particular an elastomer. A dielectric cannot be metal. Regarding a dielectric device, the dielectric can be an elastic dielectric, eg a dielectric polymer (DE). Dielectric polymers are also known as electroactive polymers (EAP) along with piezoelectric polymers and electrostrictive polymers.
In einem Ausführungsbeispiel wird zum Herstellen eines Dielektrikums Material eines elastischen Polymers (insbesondere Elastomermaterial) in nicht ausgehärteter Form (insbesondere auf eine Elektrode) aufgetragen und dann ausgehärtet. In diesem Dokument können unter dem Begriff „Aushärten“ insbesondere eine Vielzahl von unterschiedlichen Formen einer Materialverfestigung bzw. einer Erhöhung der Materialviskosität verstanden werden. Bei einem Aushärteprozess kann ein Material von einem ersten Zustand in einen zweiten Zustand übergehen, wobei das Material in dem zweiten Zustand fester ist als in dem ersten Zustand. Weiterhin kann die Viskosität des ersten Zustandes deutlich geringer sein als die Viskosität des zweiten Zustandes. Ein Aushärten kann z.B. zumindest einen der folgenden Prozesse umfassen: Vernetzungen, thermische Erstarrungsprozesse, Trocknungsreaktionen, Gelierungsprozesse. In einem Beispiel wird ein nicht-ausgehärtetes, zumindest teilweise flüssiges Elastomermaterial (z.B. in einem Lösungsmittel oder einem Suspensionsmedium) auf eine Elektrode aufgetragen. Bei einem Aushärten (z.B. durch Trocknung des Lösungsmittels/Suspensionsmediums und/oder einem Vernetzen des Elastomermaterials, insbesondere einem gezielt gesteuerten Vernetzen z.B. mittels UV-Bestrahlung) kann das Elastomermaterial eine im Wesentlichen festere Form aufweisen und/oder eine höhere Viskosität aufweisen als das nicht-ausgehärtete Elastomermaterial. Insbesondere kann das ausgehärtete Elastomermaterial als Dielektrikum eingesetzt werden.In one exemplary embodiment, material of an elastic polymer (in particular elastomer material) is applied in uncured form (in particular to an electrode) and then cured to produce a dielectric. In this document, the term “curing” can be understood to mean, in particular, a large number of different forms of material hardening or an increase in material viscosity. In a curing process, a material may transition from a first state to a second state, where the material is stronger in the second state than in the first state. Furthermore, the viscosity of the first state can be significantly lower than the viscosity of the second state. Curing can, for example, include at least one of the following processes: crosslinking, thermal solidification processes, drying reactions, gelation processes. In one example, an uncured, at least partially liquid, elastomeric material (e.g., in a solvent or suspending medium) is applied to an electrode. In the event of curing (e.g. by drying the solvent/suspension medium and/or crosslinking of the elastomeric material, in particular specifically controlled crosslinking, e.g. by means of UV radiation), the elastomeric material can have a substantially more solid form and/or have a higher viscosity than the non- cured elastomeric material. In particular, the cured elastomeric material can be used as a dielectric.
Das Aushärten kann z.B. mittels einer Vernetzungsreaktion und/oder einer Filmbildung durch Abtrocknung aus Lösung und/oder einer Filmbildung durch Abtrocknung aus einer Dispersion durchgeführt werden. Bezüglich der Vernetzung kann diese mit zumindest einem der folgenden Prozesse durchgeführt werden: i) Strahlungsvernetzung (bevorzugt durch UV-Strahlung), ii) Elektronenvernetzung (z.B. durch eine Elektronenstrahlenquelle), iii) thermisch initiierte Radikalvernetzung, iv) thermische Schwefelvernetzung, v) Peroxid-initiierte Radikalvernetzung.Curing can be carried out, for example, by means of a crosslinking reaction and/or film formation by drying from a solution and/or film formation by drying from a dispersion. With regard to crosslinking, this can be carried out using at least one of the following processes: i) radiation crosslinking (preferably by UV radiation), ii) electron crosslinking (e.g. by an electron beam source), iii) thermally initiated free radical crosslinking, iv) thermal sulfur crosslinking, v) peroxide initiated radical crosslinking.
Im Rahmen dieses Dokuments kann der Begriff „Elastizität“ insbesondere die Eigenschaft eines Materials bezeichnen, unter Krafteinwirkung (z.B. Druck) seine Form zu verändern (Deformation) und bei Wegfall der einwirkenden Kraft in die Ursprungsform zurückzukehren. Lineare Deformationen können über das Hookesche Gesetz beschrieben werden (linear elastisches Verhalten, z.B. Sprungfeder). Nicht-lineare elastische Deformation treten hingegen z.B. bei Gummi auf. Die Elastizität kann beispielsweise über den Elastizitätsmodul beschrieben werden. Dies ist ein Materialkennwert, der bei linear-elastischem Verhalten den proportionalen Zusammenhang zwischen Spannung und Dehnung(sweg) bei der Verformung eines festen Körpers beschreibt. Der Elastizitätsmodul kann als Proportionalitätskonstante im Hookeschen Gesetz angesehen werden. Entsprechend kann z.B. der Elastizitätsmodul eine Elastizitätseigenschaft sein. Bei anisotropen Materialien kann der Elastizitätsmodul richtungsabhängig sein, so dass solche Materialien zwei voneinander verschiedene Elastizitätseigenschaften aufweisen können.In the context of this document, the term "elasticity" can refer in particular to the property of a material to change its shape (deformation) under the influence of force (e.g. pressure) and to return to its original shape when the acting force is removed. Linear deformations can be described using Hooke's law (linear elastic behavior, e.g. spring). On the other hand, non-linear elastic deformation occurs, for example, in rubber. The elasticity can be described, for example, via the modulus of elasticity. This is a material parameter that describes the proportional relationship between stress and strain (displacement) in the case of linear-elastic behavior during the deformation of a solid body. Young's modulus can be viewed as a constant of proportionality in Hooke's law. Accordingly, e.g. the modulus of elasticity can be a property of elasticity. In the case of anisotropic materials, the modulus of elasticity can depend on the direction, so that such materials can have two different elastic properties.
Im Rahmen dieses Dokuments kann der Begriff „Retardation“ oder „(Nach-) Kriechen“ insbesondere eine Verformung eines Materials bzw. eines Werkstoffes unter einer Last bezeichnen. An einem Material/Werkstoff, welche(s) unter einer (konstanten) Last bzw. Spannung gehalten wird, kann sich eine fortschreitende Deformation erkennen lassen. Diese Deformation kann zeit- und temperaturabhängig sein und ein elastisch und/oder plastisch sein. Insbesondere elastische Polymere (Elastomere) bestehen aus langen verknäulten Molekülketten, welche sich unter Last entknäulen können. Wird z.B. ein Elastomer (innerhalb einer dielektrischen Vorrichtung) in Höhenrichtung (z) mit einer Kraft F belastet (z.B. Spannung durch Zug oder Dehnung in Höhenrichtung), so kann sich die Höhe z nach einer initialen Sprungantwort in einem ausgeprägten Nachsetzweg auf einen finalen Wert einpendeln. Letzteres kann dann als (Nach)-Kriechen oder Retardation des Elastomers bezeichnet werden.In the context of this document, the term "retardation" or "(after) creep" can refer in particular to a deformation of a material or material under a load. A progressive deformation can be seen in a material that is held under a (constant) load or stress. This deformation can be dependent on time and temperature and can be elastic and/or plastic. In particular, elastic polymers (elastomers) consist of long tangled molecular chains that can untangle under load. If, for example, an elastomer (within a dielectric device) is subjected to a force F in the height direction (z) (e.g. stress due to tension or expansion in the height direction), the height z can level off at a final value after an initial step response in a pronounced readjustment path . The latter can then be referred to as (after)creeping or retardation of the elastomer.
Bei Elastomeren als verwendete Polymere für die Ausgestaltung von Dielektrika in dielektrischen Vorrichtungen kann sich durch das Re-orientieren von Bindungen der verknäuelten Molekülketten ein Nachkriechen als reversibler (elastischer Anteil) und (bei hoher oder langandauernder Belastung) als permanenter (plastischer Anteil) im Prozess zeigen. Zusätzliche Einflussfaktoren für dieses Verhalten können z.B. Temperatur, Feuchtigkeit, Strahlungseinwirkungen, und oxidative Einflüsse sein.In the case of elastomers as polymers used for the design of dielectrics in dielectric devices, post-creeping can show up as a reversible (elastic part) and (in the case of high or long-term stress) as a permanent (plastic part) in the process due to the re-orientation of bonds in the entangled molecular chains . Additional influencing factors for this behavior can be, for example, temperature, humidity, exposure to radiation and oxidative influences.
In einem Feder-Model kann das Nachkriechen als eine Folgeerscheinung der Relaxation, d.h. des zeitabhängigen Nachlassens der Rückstellkraft einer unter konstanter Verformung stehenden Feder, angesehen werden. Das Kriechen kann für eine lineare Federcharakteristik bei konstanter Temperatur linear proportional zum Logarithmus der Zeit verlaufen und kann unabhängig von der Belastungsart (Druck, Schub) sein. Die Retardation kann mit einer so großen Trägheit erfolgen, dass sie im Allgemeinen an den Schwingungsbewegungen einer dynamisch betriebenen dielektrischen Vorrichtung nicht teilnimmt.In a spring model, creep can be viewed as a consequence of relaxation, ie the time-dependent decrease in the restoring force of a spring that is under constant deformation. Creep can be linearly proportional to logarithm of time for a linear spring characteristic at constant temperature and can be independent of loading mode (compression, shear). The retardation can of such great inertia that it generally does not participate in the oscillatory motions of a dynamically operated dielectric device.
Als Retardation-Eigenschaft kann in diesem Dokument jeglicher Parameter bezeichnet werden, welcher die Retardation physikalisch beschreibt. Die Retardation kann beispielsweise mit dem Kriechmodul (Kriechwert) beschrieben werden. Der Kriechmodul ist ein Materialkennwert und ist definiert als: Ec(t) = σ / εges (t), wobei σ die mechanische Spannung ist und ε die zeitabhängig sich einstellende Dehnung (Verhältnis von Längenänderung zur ursprünglichen Länge) ist. Der Kriechmodul ähnelt von der Definition her dem nicht zeitabhängigen Elastizitätsmodul, daher das Formelzeichen E.In this document, any parameter that physically describes the retardation can be referred to as a retardation property. The retardation can be described, for example, with the creep modulus (creep value). The creep modulus is a material parameter and is defined as: E c (t) = σ / ε tot (t), where σ is the mechanical stress and ε is the time-dependent elongation (ratio of length change to original length). The definition of the creep modulus is similar to that of the elastic modulus, which is not time-dependent, hence the symbol E.
Im Rahmen dieses Dokuments kann der Begriff „Kompensationsmaßnahme“ insbesondere jegliche Maßnahme bezeichnen, welche ergriffen wird/wurde, um die oben beschriebene Retardation-Eigenschaft (zumindest teilweise) zu kompensieren. Eine Kompensationsmaßnahme kann das Vorsehen eines Kompensationsmittels bezeichnen. Weiterhin kann eine Kompensationsmaßnahme das Vorsehen eines bestimmten Materials und/oder einer bestimmten Struktur sein. In einem Beispiel kann die dielektrische Vorrichtung konfiguriert sein, um die oben beschriebene Retardation-Eigenschaft (zumindest teilweise) zu kompensieren. Ein Kompensationsmittel kann z.B. mechanischer und/oder elektrischer Art sein. Beispielsweise kann ein mechanisches Kompensationsmittel eine mechanische Begrenzungsstruktur sein oder ein elektrisches Ansteuermittel. Eine Kompensationsmaßnahme kann auch das Vorsehen bestimmter Strukturen wie Gasblasen, Ausbuchtungen oder faserverstärkter Materialien umfassen. Ferner kann eine Kompensationsmaßnahme auch das Vorsehen eines bestimmten Polymermaterials (oder einer Polymermischung) umfassen, welche gezielt der Retardation entgegenwirkt.In the context of this document, the term “compensation measure” can refer in particular to any measure that is/was taken to (at least partially) compensate for the retardation property described above. A compensation measure can refer to the provision of a compensation means. Furthermore, a compensation measure can be the provision of a specific material and/or a specific structure. In one example, the dielectric device may be configured to (at least partially) compensate for the retardation characteristic described above. A compensation means can be mechanical and/or electrical, for example. For example, a mechanical compensation means can be a mechanical limiting structure or an electrical control means. A compensation measure can also include the provision of certain structures such as gas bubbles, bulges or fiber-reinforced materials. Furthermore, a compensation measure can also include the provision of a specific polymer material (or a polymer mixture) which specifically counteracts the retardation.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann die Erfindung auf der Idee basieren, dass eine dielektrische Vorrichtung mit einem elastischen Polymer, in welcher eine Retardation-Eigenschaft des Polymers effizient und zuverlässig kompensiert ist, bereitgestellt werden kann, wenn der Retardation-Eigenschaft durch den Einsatz zumindest einer gezielten Kompensationsmaßnahme entgegengesteuert wird. Das gezielte Vorsehen der Kompensationsmaßnahme kann sowohl mechanisch, elektrisch oder chemisch erfolgen (bevorzugt in einer Kombination dieser Ansätze). Insbesondere auch durch eine Mischform, z.B. durch das gezielte Vorsehen mikroskaliner Gasblasen. Es hat sich überraschend herausgestellt, dass die bekannte Problematik des Nachkriechens von Elastomeren in dielektrischen Vorrichtungen durch den Einsatz definierbarer Maßnahmen kompensiert werden kann, so dass eine besonders effiziente und zuverlässige dielektrische Vorrichtung bereitgestellt werden kann.According to an exemplary embodiment, the invention can be based on the idea that a dielectric device with an elastic polymer, in which a retardation property of the polymer is efficiently and reliably compensated, can be provided if the retardation property is targeted through the use of at least one Compensation measure is counteracted. The targeted provision of the compensation measure can take place mechanically, electrically or chemically (preferably in a combination of these approaches). In particular, also through a mixed form, e.g. through the targeted provision of microscale gas bubbles. Surprisingly, it turned out that the well-known problem of elastomers creeping in dielectric devices can be compensated for by the use of definable measures, so that a particularly efficient and reliable dielectric device can be provided.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Kompensationsmaßnahme zumindest eine aus der Gruppe auf, welche besteht aus: einer mechanischen Kompensationsmaßnahme, einer elektrischen Kompensationsmaßnahme, und/oder einer chemischen Kompensationsmaßnahme. Dies hat den Vorteil, dass die gezielte Kompensationsmaßnahme bzw. die gezielten Kompensationsmaßnahmen flexibel angewendet und kombiniert werden können.According to one embodiment, the compensation measure has at least one from the group consisting of: a mechanical compensation measure, an electrical compensation measure, and/or a chemical compensation measure. This has the advantage that the targeted compensation measure or the targeted compensation measures can be flexibly applied and combined.
Als mechanische Kompensationsmaßnahme können Mechanismen bezeichnet werden, welche eine mechanische Vor- oder Dauerbeanspruchung des Elastomers beinhalten. Eine einfache Variante dieser Kompensation kann in dem Erzeugen einer Vorspannung über die gesamte dielektrische Vorrichtung bestehen, welche keine vollständige Relaxation in den unbelasteten Zustand mehr zulässt. In einer komplexeren Variante können nur Teile der dielektrischen Vorrichtung unter einer Vorspannung gehalten werden.Mechanisms can be described as mechanical compensatory measures which include a mechanical pre-stress or permanent stress on the elastomer. A simple variant of this compensation can consist in creating a bias voltage across the entire dielectric device, which no longer allows complete relaxation to the unloaded state. In a more complex variant, only parts of the dielectric device can be kept under a bias voltage.
Als elektrische Kompensationsmaßnahme können z.B. bestimmte Arten der Ansteuerung über eine elektrische Größe (Spannung, Strom) verstanden werden. Bezüglich des Bereichs der elektrischen/steuerungs-basierten Kompensation, kann dieser sowohl gesteuert als auch geregelt werden.Certain types of control via an electrical quantity (voltage, current) can be understood as electrical compensation measures, for example. Regarding the area of electrical/control-based compensation, this can be both open-loop and closed-loop.
In einem Ausführungsbeispiel wird eine Kombination von elektrischer Kompensation der Kennlinie (der dielektrischen Vorrichtung) mit mechanischen Begrenzungsmitteln zur Hubbegrenzung bereitgestellt, so dass keine zu grossen Kräfte auf die dielektrische Vorrichtung wirken, was wiederum das Gesamtkriechen reduzieren kann.In one embodiment, a combination of electrical compensation of the characteristic (of the dielectric device) with mechanical limiting means for limiting the stroke is provided, so that no excessive forces act on the dielectric device, which in turn can reduce the overall creep.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Kompensationsmaßnahme auf: ein mechanisches Begrenzungsmittel (z.B. ein Höhenanschlag und/oder ein Tiefenanschlag) zum Begrenzen einer Bewegung der dielektrischen Vorrichtung in Höhenrichtung (z). Insbesondere wobei die Bewegung in Höhenrichtung 10% oder weniger (insbesondere 7% oder weniger, weiter insbesondere 5% oder weniger) beträgt von der Höhe der dielektrischen Vorrichtung. Dies hat den Vorteil, dass auf einfache und doch effiziente Weise die Retardation mechanisch (zumindest teilweise) kompensiert werden kann. Bildlich gesprochen kann der mechanische Hub einer dielektrischen Vorrichtung (insbesondere eines Stapelsystems) begrenzt werden. Durch Reduktion des maximalen dl/I (der Bewegung in Höhenrichtung) wird auch der absolute Kriechmodul reduziert.According to a further embodiment, the compensation measure comprises: a mechanical limiting means (e.g. a height stop and/or a depth stop) for limiting a movement of the dielectric device in the height direction (z). In particular, the movement in the height direction is 10% or less (particularly 7% or less, further particularly 5% or less) of the height of the dielectric device. This has the advantage that the retardation can be mechanically (at least partially) compensated for in a simple yet efficient manner. Figuratively speaking, the mechanical stroke of a dielectric device (particularly a stacked system) can be limited. By reducing the maximum dl/I (the movement in height direction) the absolute creep modulus is also reduced.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Kompensationsmaßnahme auf: eine Ansteuereinheit, welche eingerichtet ist eine elektrische Größe (insbesondere die Ansteuerspannung) zu modifizieren (insbesondere wenn die Vorrichtung als Aktor betrieben wird), und/oder eine Auswerteeinheit, welche eingerichtet ist ein Sensorsignal zu modifizieren (insbesondere wenn die Vorrichtung als Sensor betrieben wird). Dies hat den Vorteil, dass durch eine elektrische Ansteuerung die Retardation effizient (zumindest teilweise) kompensiert werden kann. Beispielsweise wird der Kriechbetrag (oder der Kriechmodul) direkt einbezogen, um die Modifikation durchzuführen. Insbesondere bei präzisen oder hochpräzisen Systemen kann für diese Kompensation auch die Kraft-Zeit-Belastung mitberücksichtigt und in besonderen Fällen auch die Kraft-Zeit-Temperatur-Belastung berücksichtigt werden. insbesondere die Kombination von elektrischer und mechanischer Kompensation kann hierbei besonders effizient sein.According to a further exemplary embodiment, the compensation measure has: a control unit which is set up to modify an electrical variable (in particular the control voltage) (in particular if the device is operated as an actuator), and/or an evaluation unit which is set up to modify a sensor signal ( especially when the device is operated as a sensor). This has the advantage that the retardation can be efficiently (at least partially) compensated for by electrical control. For example, the amount of creep (or creep modulus) is directly included to perform the modification. In particular in the case of precise or high-precision systems, the force-time load can also be taken into account for this compensation and, in special cases, the force-time-temperature load can also be taken into account. in particular the combination of electrical and mechanical compensation can be particularly efficient here.
In einer weiteren Ausführungsvariante wird die dielektrische Vorrichtung mechanisch und/oder durch Anlegen einer Spannung über eine längere Zeit komprimiert. Durch diese Komprimierung kann eine entsprechende Konditionierung des elastischen Dielektrikums erreicht werden. Dies dahingehend, dass sich bereits Molekülketten derart umorganisiert haben, dass sie nach dieser Behandlung nicht mehr in den Ursprungszustand zurückkehren, wodurch das Nachkriechen reduziert wird. Als optionale Ergänzung zu diesem Mechanismus wurden gute Ergebnisse erreicht, wenn diese Konditionierung unter erhöhter Temperatur gemacht wird.In a further embodiment variant, the dielectric device is compressed mechanically and/or by applying a voltage over a longer period of time. A corresponding conditioning of the elastic dielectric can be achieved by this compression. This is due to the fact that molecular chains have already been reorganized in such a way that after this treatment they no longer return to their original state, which reduces creep. As an optional complement to this mechanism, good results have been obtained when this conditioning is done at elevated temperature.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die dielektrische Vorrichtung initial übersteuert (gezieltes Überschwingen der Ansteuerung), d.h. es wird eine grössere Auslenkungsamplitude angesteuert als dies eigentlich nötig wäre. Dadurch kann ein Teil des Kriechvorganges vorweggenommen werden, was insgesamt das Nachkriechen reduziert.In a further exemplary embodiment, the dielectric device is initially overdriven (deliberate drive overshoot), i.e. a larger deflection amplitude is driven than would actually be necessary. As a result, part of the creep process can be anticipated, which reduces post-creep overall.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird der Ansteuerspannung eine weitere Ansteuerspannung überlagert, deren Frequenz 5-mal oder mehr (insbesondere 10-mal oder mehr, weiter insbesondere 50-mal oder mehr) gegenüber der Ansteuerspannung ist.In a further exemplary embodiment, a further control voltage is superimposed on the control voltage, the frequency of which is 5 times or more (in particular 10 times or more, further in particular 50 times or more) compared to the control voltage.
Zum Beispiel wird dem Mittelwert der elektrischen Ansteuerspannung ein Anteil höherer Frequenz einer Spannung überlagert (z.B. AC Überlagerung eines DC-Signals oder 200 Hz Überlagerung bei einer 10 Hz Ansteuerung). Die dadurch erreichten mechanischen Vibrationen begünstigen die Retardationskompensation und es wurde gefunden, dass besonders günstige Anordnungen entstehen, wenn die überlagerte Spannung eine Frequenz von mehr als 5-mal (insbesondere 10-mal oder mehr als 50-mal) gegenüber der Soll-Ansteuerspannung aufweist. Der Hub der überlagerten Spannung kann für eine besonders günstige Ausführung bei < 30%, <10%, < 5% der Ansteuersollspannung sein. Durch geeignete mechanische Trägheiten kann diese Überlagerungsschwingung im Rahmen der Aktor- oder Anwendungsgestaltung als mechanisches RC-Glied wieder ausgefiltert werden. Derselbe Mechanismus kann auch im Sinne einer Messwertmittelwertbildung bei einem Sensor verwendet werden.For example, a higher frequency component of a voltage is superimposed on the mean value of the electrical control voltage (e.g. AC superimposition of a DC signal or 200 Hz superimposition with a 10 Hz control). The mechanical vibrations achieved in this way favor the retardation compensation and it was found that particularly favorable arrangements arise when the superimposed voltage has a frequency of more than 5 times (in particular 10 times or more than 50 times) compared to the setpoint control voltage. For a particularly favorable embodiment, the deviation of the superimposed voltage can be <30%, <10%, <5% of the target control voltage. With suitable mechanical inertia, this superimposed vibration can be filtered out again as a mechanical RC element within the framework of the actuator or application design. The same mechanism can also be used in the sense of an averaging of measured values with a sensor.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Kompensationsmaßnahme auf: i) eine Sensoreinheit, welche eingerichtet ist zum Aufnehmen von zumindest einem sensorischen Messwert (insbesondere einem aus der Gruppe, welche besteht aus: Kapazität, Auslenkung, Resonanzfrequenz, Temperatur, Feuchtigkeit), und ii) eine Reguliereinheit, welche eingerichtet ist zum Regulieren der Betriebsparameter der Vorrichtung basierend auf dem zumindest einen sensorischen Messwert. Dies hat den Vorteil, dass die Retardation auf dynamische Weise mittels eines Regulierens (zumindest teilweise) kompensiert werden kann.According to a further exemplary embodiment, the compensation measure has: i) a sensor unit, which is set up to record at least one sensory measured value (in particular one from the group consisting of: capacitance, deflection, resonance frequency, temperature, humidity), and ii) a Regulating unit, which is set up to regulate the operating parameters of the device based on the at least one sensory measured value. This has the advantage that the retardation can be compensated for (at least partially) in a dynamic manner by means of regulation.
Zur Regelung einer Retardation-Eigenschaft Kompensation (z.B. werden zumindest ein oder mehr sensorische Werte erfasst, welche eine geregelte Feedbackschleife ermöglichen) können unterschiedliche sensorische Werte herangezogen werden:
- i) Messung der Kapazität in Bezug zur Ansteuerspannung bei einem Aktor. Bei konstanter Last wird dadurch der Kriechmodul antizipier- und damit regelbar. Insbesondere bei bekannter Last ist dies ein sehr einfacher Mechanismus, ii) Messung der Auslenkung (oder weiterer Parameter wie Resonanzfrequenz, Kapazität, Temperatur, Feuchtigkeit, usw.) durch mindestens einen separaten Sensor, iii) Verwenden unterschiedlicher Härten des Elastomers oder unterschiedlicher Elastomere und dadurch Ermöglichen einer Differenzbildung zur Ermittlung des Kriechweges (Sensor und Aktor). Auch wenn für diese Variante eine elektrische Auswertung erfolgt, beinhaltet sie auch mechanische Faktoren.
- i) Measurement of the capacitance in relation to the control voltage for an actuator. With a constant load, the creep modulus can thus be anticipated and thus controlled. Especially when the load is known, this is a very simple mechanism, ii) measuring the deflection (or other parameters such as resonant frequency, capacitance, temperature, humidity, etc.) by at least one separate sensor, iii) using different hardnesses of the elastomer or different elastomers and thereby Enabling a difference to determine the creepage distance (sensor and actuator). Even if an electrical evaluation is carried out for this variant, it also includes mechanical factors.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Kompensationsmaßnahme auf: das elastische Polymer des zumindest einen elastischen Dielektrikums weist zumindest eines aus der Gruppe auf, welche besteht aus: i) einem Kautschukelastomer, insbesondere einem Kautschukelastomer mit Steifsegmenten, weiter insbesondere einem aus der Gruppe, welche besteht aus Styrol, Acrylnitril, Cyclo-Olefin, ii) einem Acrylelastomer und/oder einem Vinylelastomer, iii) einem thermoplastischen Elastomer, iv) einem Elastomer, welches über eine Radikalreaktion vernetzbar ist, insbesondere eine UV-initiierte Radikalvernetzung, v) einem Elastomer mit einem differenzierten Schichtaufbau, vi) einem faserverstärkten Elastomer, vii) einem Elastomer, welcher ein Fluorpolymer (insbesondere Polytetrafluorethylen (PTFE)) und Nitrilkautschuk (insbesondere Nitril Butadien Rubber (NBR)) aufweist, wobei das Fluorpolymer an den Nitrilkautschuk gebunden ist, viii) einer Mischung von zumindest zwei der genannten Elastomere.According to a further exemplary embodiment, the compensation measure has: the elastic polymer of the at least one elastic dielectric has at least one from the group consisting of: i) a rubber elastomer, in particular a rubber elastomer with stiff segments, more particularly one from the group consisting of styrene, acrylonitrile, cyclo-olefin, ii) an acrylic elastomer and/or a vinyl elastomer, iii) a thermoplastic elastomer, iv) an elastomer which has a radi cold reaction, in particular a UV-initiated radical crosslinking, v) an elastomer with a differentiated layer structure, vi) a fiber-reinforced elastomer, vii) an elastomer which is a fluoropolymer (in particular polytetrafluoroethylene (PTFE)) and nitrile rubber (in particular nitrile butadiene rubber (NBR )) wherein the fluoropolymer is bonded to the nitrile rubber, viii) a blend of at least two of said elastomers.
Es hat sich gezeigt, dass das erfindungsgemässe Kompensieren der Retardations-Eigenschaft vor allem mit Materialien der folgenden Stoffgruppen besonders gut funktionieren kann:
- 1) Kautschukelastomere (z.B. Naturkautschuk, Nitril-Butadien-Rubber (NBR) Kautschuk): insbesondere die Varianten mit ausgesprochenen Steifsegmenten wie Styrol, Acrylnitril, Cyclo-Olefin, etc. Durch Variation des Prozentgehaltes dieser Segmente innerhalb einer Polymersequenz kann in erheblichem Masse eine Elastizitätsmodul Varianz kreiert werden. Zusätzlich lässt sich das Elastizitätsmodul durch die Stärke der Vernetzung (Vernetzungsgrad) sowie durch den Einsatz von Weichmachern situativ einstellen.
- 2) Acryl- und/oder Vinylelastomere: insbesondere Ester oder Ether mit unterschiedlicher Molekularlänge der Ester- und/oder Ether-Seitengruppen erzeugen wiederum eine besonders starke Variabilitätsmöglichkeit im orts- oder richtungsabhängigen Elastizitätsmodul.
- 3) Thermoplastische Elastomere: insbesondere TPE's deren Funktion auf einer Wechselwirkung von Weich- und Hartsegmenten beruht, erlauben in dieser Stoffgruppe eine Elastizitätsmodul Varianz, welche insbesondere noch zusätzlich verstärkt werden kann für diejenigen TPE's, welche sich für eine nachträgliche Vernetzung eignen.
- 4) Elastomere mit UV-induzierten Radikalvernetzungsmöglichkeiten: hier lässt sich insbesondere durch gezielte Belichtung (in Bezug auf die zeitliche Exposition, die Expositionsfrequenz und/oder die verwendeten Initiatoren) ein spezielles Steifigkeitsmuster realisieren.
- 5) Elastomere mit differenziertem Schichtaufbau: insbesondere lassen sich derart mehrschichtige Aufbauten von Elastomeren realisieren, wobei einzelne Schichten unterschiedliche Elastizitätsmodule aufweisen.
- 6) Elastomere, welche aus Blends hergestellt wurden und somit nicht eine einzige homogene Elastromerbasis beinhalten.
- 1) Rubber elastomers (e.g. natural rubber, nitrile butadiene rubber (NBR) rubber): in particular the variants with pronounced rigid segments such as styrene, acrylonitrile, cyclo-olefin, etc. By varying the percentage of these segments within a polymer sequence, a modulus of elasticity can be significantly altered variance can be created. In addition, the modulus of elasticity can be adjusted depending on the situation through the strength of the crosslinking (degree of crosslinking) and through the use of plasticizers.
- 2) Acrylic and/or vinyl elastomers: in particular esters or ethers with different molecular lengths of the ester and/or ether side groups in turn create a particularly strong possibility of variability in the location- or direction-dependent modulus of elasticity.
- 3) Thermoplastic elastomers: in particular TPE's whose function is based on an interaction of soft and hard segments, allow a variance in the modulus of elasticity in this group of substances, which can be additionally increased in particular for those TPE's which are suitable for subsequent crosslinking.
- 4) Elastomers with UV-induced free-radical crosslinking options: a special stiffness pattern can be realized here in particular through targeted exposure (in relation to the exposure over time, the exposure frequency and/or the initiators used).
- 5) Elastomers with a differentiated layer structure: in particular, multi-layer structures of elastomers can be realized in this way, with individual layers having different moduli of elasticity.
- 6) Elastomers that are made from blends and thus do not contain a single homogeneous elastomer base.
Des Weiteren wurden gute Ergebnisse erzielt, wenn zur Erreichung unterschiedlicher Elastizitäten auch Materialien dieser Stoffgruppen miteinander kombiniert wurden (im Sinne eines heterogenen Dielektrikums).Furthermore, good results were achieved when materials from these groups of substances were combined with one another to achieve different elasticities (in the sense of a heterogeneous dielectric).
In einem Ausführungsbeispiel kann das Elastomermaterial zumindest eines aus der Gruppe aufweisen, welche besteht aus: i) einem Dien Polymer (insbesondere zumindest einem von Butadien, Isopren, Dimethylbutadien, Halogenbutadien, Cyclopentadien, Cyclooctadien); ii) einem Elastomer mit einer 1,2 und/oder 1,4 Verknüpfung in cis- und/oder trans-Form; iii) einem Copolymer (z.B. der oben genannten Diene) mit einfach ungesättigten Monomeren (insbesondere einem von Stryol, Ethen, Propen, Buten, Acrylnitril, Acrylsäure, Acrylsäureester, Vinylether, Vinylester, Vinylhalogenid); iv) einem unvernetzten Elastomer oder einem vernetzten Elastomer; v) einem Polyadditionselastomer, insbesondere Polyurethan; vi) einem Silikonelastomer, insbesondere einem Polysiloxan; vii) einem Polymergemisch aus zumindest zwei der oben genannten Elastomere. In einem Beispiel weist das Elastomer Naturkautschuk (NR) oder ein Derivat davon auf. In einem weiteren Beispiel weist das Elastomer Nitril-Butadien Rubber (NBR) Kautschuk oder ein Derivat davon auf.In one embodiment, the elastomeric material may include at least one from the group consisting of: i) a diene polymer (particularly at least one of butadiene, isoprene, dimethylbutadiene, halobutadiene, cyclopentadiene, cyclooctadiene); ii) an elastomer having a 1,2 and/or 1,4 linkage in cis and/or trans form; iii) a copolymer (e.g. of the dienes mentioned above) with monounsaturated monomers (especially one of styrene, ethene, propene, butene, acrylonitrile, acrylic acid, acrylic acid ester, vinyl ether, vinyl ester, vinyl halide); iv) an uncrosslinked elastomer or a crosslinked elastomer; v) a polyaddition elastomer, in particular polyurethane; vi) a silicone elastomer, in particular a polysiloxane; vii) a polymer blend of at least two of the above elastomers. In one example, the elastomer comprises natural rubber (NR) or a derivative thereof. In another example, the elastomer includes nitrile butadiene rubber (NBR) rubber or a derivative thereof.
Für den Fachmann sind Prozesse bekannt, wie Fluorpolymer wie PTFE an Nitrilkautschuk wie NBR gebunden werden kann. Dies verändert dadurch die inneren tribologischen Eigenschaften derart, dass die Retardation-Eigenschaft (zumindest teilweise) kompensiert werden kann.Processes by which fluoropolymer such as PTFE can be bonded to nitrile rubber such as NBR are known to those skilled in the art. This changes the internal tribological properties in such a way that the retardation property can be (at least partially) compensated.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Kompensationsmaßnahme auf: das elastische Polymer des zumindest einen elastischen Dielektrikums weist eine Mehrzahl von Poren (insbesondere Fluid-gefüllte, weiter insbesondere Gas (Luft)-gefüllte und/oder Flüssigkeit- (insbesondere Residualflüssigkeit) gefüllte Poren) auf. Insbesondere weisen die Poren einen mittleren Durchmesser von 20 µm oder weniger (insbesondere 1 µm oder weniger) auf. Dies hat den besonders überraschenden Vorteil, dass durch das Vorsehen dieser Mikro/Nano-(Gas-) Blasen die Retardations-Eigenschaft effizient (zumindest teilweise) kompensiert werden kann.According to a further exemplary embodiment, the compensation measure has: the elastic polymer of the at least one elastic dielectric has a plurality of pores (particularly fluid-filled, more particularly gas (air)-filled and/or liquid- (particularly residual liquid)-filled pores). In particular, the pores have an average diameter of 20 μm or less (particularly 1 μm or less). This has the particularly surprising advantage that the retardation property can be efficiently (at least partially) compensated for by the provision of these micro/nano (gas) bubbles.
Es wurde erstaunlicherweise gefunden, dass durch die Inkorporation von mikroskalinen (unter 20 Mikrometer Durchmesser) und/oder nanoskalinen (unter 1 Mikrometer Durchmesser) Gasblasen eine Reduktion der Retardations-Eigenschaft erreicht werden kann. Ohne an eine bestimmte Theorie gebunden zu sein wird derzeit vermutet, dass durch das Vorhandensein eines Kompensationsvolumens für das unter Druck verdrängte Elastomermaterial eine weniger grosse Neigung zum Gleiten (bzw. Entknäulen) der verschiedenen Elastomer-Molekülketten entsteht. Besonders gute Ergebnisse wurden zudem erreicht, wenn 40% oder mehr des Dielektrikumvolumens aus den genannten Poren besteht.Surprisingly, it was found that the incorporation of microscale (less than 20 microns in diameter) and/or nanoscale (less than 1 micron in diameter) gas bubbles can reduce the retardation property. Without being bound to any particular theory, it is currently believed that by the presence of a compensation volume for the elastomeric material displaced under pressure there is less of a tendency for the various elastomer molecule chains to slide (or untangle). In addition, particularly good results were achieved when 40% or more of the dielectric volume consists of the pores mentioned.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Kompensationsmaßnahme auf: i) zumindest eine Elektrode weist eine Mehrzahl von Strukturierungen (insbesondere Ausbuchtungen) auf, und/oder ii) zumindest ein Dielektrikum weist eine Mehrzahl von Strukturierungen (insbesondere Ausbuchtungen) auf. Hierbei sind die Strukturierungen konfiguriert, Dielektrikum-Material aufzunehmen, welches bei einem Betrieb der dielektrischen Vorrichtung verdrängt wird. Dies hat den überraschenden Vorteil, dass Strukturierungen, welche als Dielektrikum-Verdrängungsraum dienen können, die Retardations-Eigenschaft (zumindest teilweise) kompensieren können.According to a further exemplary embodiment, the compensation measure has: i) at least one electrode has a plurality of structurings (in particular bulges), and/or ii) at least one dielectric has a plurality of structurings (in particular bulges). In this case, the structures are configured to accommodate dielectric material, which is displaced during operation of the dielectric device. This has the surprising advantage that structuring, which can serve as a dielectric displacement space, can (at least partially) compensate for the retardation property.
Im Rahmen dieses Dokuments kann unter dem Begriff „Strukturierungen“ insbesondere jegliche Struktur eines Dielektrikums verstanden werden, welche nicht planar mit der Fläche (z.B. bei einem Platten-förmigen Dielektrikum) des Dielektrikums ist. In anderen Worten ist die Struktur in einer Höhenrichtung (z) orientiert, welche senkrecht zu den zwei Haupterstreckungsrichtungen (x, y) der Dielektrikumsfläche ist. Eine solche Strukturierung kann auch eine Perforation der Elektrode sein.In the context of this document, the term "structuring" can be understood in particular to mean any structure of a dielectric that is not planar with the surface (e.g. in the case of a plate-shaped dielectric) of the dielectric. In other words, the structure is oriented in a height direction (z) which is perpendicular to the two main directions of extent (x, y) of the dielectric surface. Such a structuring can also be a perforation of the electrode.
Die Strukturierung kann sowohl mikroskalin als auch makroskalin (sogar nanoskalin) ausgestaltet sein. Dadurch können mehrere Vorteile erreicht werden: i) es wird eine lokal variable Elastizität erzeugt (also Elastizität in einer Richtung der x-y Ebene des Dielektrikums), ii) es kann Verdrängungsraum für Dielektrikumsmasse bei Kompression durch Elektroden während des Betriebs geschaffen werden, iii) es können Belüftungskanäle geschaffen werden, welche Fluide (Ausgasungen) seitlich austreten lassen, und iv) im Falle eines Stapelsystems, kann eine bessere vertikale Stabilität des (DEAS) Stapels erreicht werden.The structuring can be both microscale and macroscale (even nanoscale). This can achieve several advantages: i) a locally variable elasticity is generated (i.e. elasticity in one direction of the x-y plane of the dielectric), ii) displacement space for dielectric mass can be created during compression by electrodes during operation, iii) it can Ventilation channels are created which allow fluids (outgassing) to escape laterally, and iv) in the case of a stack system, better vertical stability of the (DEAS) stack can be achieved.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die dielektrische Vorrichtung derart konfiguriert, dass im Betrieb der Vorrichtung, bei einer Kompression des Dielektrikums durch die erste Elektrode und die zweite Elektrode, Material des komprimierten Dielektrikums zumindest teilweise in die Strukturierungen gedrückt wird. Insbesondere wird hierbei die Mehrzahl von Strukturierungen zumindest teilweise verformt oder das weichere Elastomer wird den Strukturierungen angepasst. Dadurch kann eine besonders effiziente Flächendehnung des Dielektrikums ermöglicht werden, so dass die dielektrische Vorrichtung besonders vorteilhaft betreibbar ist.According to a further exemplary embodiment, the dielectric device is configured such that during operation of the device, when the dielectric is compressed by the first electrode and the second electrode, material of the compressed dielectric is at least partially pressed into the structures. In particular, in this case the plurality of structurings is at least partially deformed or the softer elastomer is adapted to the structurings. As a result, a particularly efficient surface expansion of the dielectric can be made possible, so that the dielectric device can be operated particularly advantageously.
Die Elektrode (bzw. der funktionelle Bereich) kann mittels der Strukturierungen (insbesondere Ausbuchtungen) ein temporäres Depot (Hohlräume) bilden, welches das überschüssige Material des elastischen Dielektrikums bei Inbetriebnahme der dielektrischen Vorrichtung aufnehmen kann. Insbesondere kann sich eine sehr dünn auf einem strukturierten Dielektrikum aufgebrachte Elektrode mit diesem zusammen in die vorgesehenen Ausweichdepots hineinbetten. Wenn z.B. eine Strukturierung ein Hohlraumvolumen von 5 % bis 20 % des Dielektrikumvolumens ausmacht, kann sich die verdrängte Masse im Betriebszustand (aktivierten Zustands) der dielektrischen Vorrichtung in genau diese Hohlräume hineindrängen (auch inklusive Elektrodenmaterial).The electrode (or the functional area) can form a temporary depot (cavities) by means of the structuring (in particular bulges), which can absorb the excess material of the elastic dielectric when the dielectric device is put into operation. In particular, an electrode applied very thinly to a structured dielectric can be embedded together with this in the alternative depots provided. If, for example, a structure accounts for a cavity volume of 5% to 20% of the dielectric volume, the displaced mass in the operating state (activated state) of the dielectric device can crowd into precisely these cavities (also including electrode material).
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Kompensationsmaßnahme auf: Das zumindest eine elastische Dielektrikum weist einen ersten Vernetzungsbereich auf, und das zumindest eine elastische Dielektrikum weist einen zweiten Vernetzungsbereich auf, wobei der erste Vernetzungsbereich von dem zweiten Vernetzungsbereich verschieden ist. Dies hat den Vorteil, dass durch gezielt initiiertes Vernetzen (siehe unten) derart verschiedene Vernetzungen in einem Dielektrikum erreicht werden können, dass eine Retardation-Eigenschaft (zumindest teilweise) kompensiert werden kann. In einem Beispiel kann sich einer der beiden Vernetzungsbereiche der unterschiedlichen Elastizität auch außerhalb des funktionellen Bereichs der dielektrischen Vorrichtung befinden und beispielsweise zumindest einen Teil einer seitlichen Isolation bilden.According to a further exemplary embodiment, the compensation measure has: The at least one elastic dielectric has a first crosslinking area, and the at least one elastic dielectric has a second crosslinking area, the first crosslinking area being different from the second crosslinking area. This has the advantage that crosslinking that is initiated in a targeted manner (see below) can achieve such different crosslinking in a dielectric that a retardation property can be (at least partially) compensated for. In one example, one of the two cross-linking areas of different elasticity can also be located outside the functional area of the dielectric device and, for example, form at least part of a lateral insulation.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst die Kompensationsmaßnahme folgendes: das elastische Polymer des zumindest einen elastischen Dielektrikums weist auf: eine erste Elastizitätseigenschaft, und eine zweite Elastizitätseigenschaft, wobei die erste Elastizitätseigenschaft von der zweiten Elastizitätseigenschaft verschieden ist. Dies hat den überraschenden Vorteil, dass durch gezieltes Vorsehen von Bereichen/Richtungen verschiedener Elastizität eine Retardation-Eigenschaft Kompensation erreicht werden kann.According to a further exemplary embodiment, the compensation measure includes the following: the elastic polymer of the at least one elastic dielectric has: a first elasticity property, and a second elasticity property, the first elasticity property being different from the second elasticity property. This has the surprising advantage that a retardation property compensation can be achieved by the targeted provision of areas/directions of different elasticity.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist i) das elastische Dielektrikum einen ersten Bereich auf, welcher die erste Elastizitätseigenschaft aufweist, ii) das elastische Dielektrikum einen zweiten Bereich auf, welcher die zweite Elastizitätseigenschaft aufweist, wobei der erste Bereich von dem zweiten Bereich verschieden ist. Alternativ oder ergänzend weist das elastische Dielektrikum eine erste Raumrichtung auf, welche der ersten Elastizitätseigenschaft zugeordnet ist, das elastische Dielektrikum weist eine zweite Raumrichtung auf, welche der zweiten Elastizitätseigenschaft zugeordnet ist, wobei die erste Raumrichtung von der zweiten Raumrichtung verschieden ist. In einem Beispiel kann sich einer der beiden Bereiche der unterschiedlichen Elastizität auch außerhalb des funktionellen Bereichs der dielektrischen Vorrichtung befinden und beispielsweise zumindest einen Teil einer seitlichen Isolation bilden.According to a further exemplary embodiment, i) the elastic dielectric has a first region which has the first elasticity property, ii) the elastic dielectric has a second region which has the second elasticity property, the first region being different from the second region. Alternatively or additionally, the elastic dielectric has a first spatial direction, which is assigned to the first elasticity property, the elastic dielectric has a second spatial direction, which is assigned to the second elasticity property net, the first spatial direction being different from the second spatial direction. In one example, one of the two areas of different elasticity can also be located outside the functional area of the dielectric device and, for example, form at least part of a lateral insulation.
Dies hat den Vorteil, dass die voneinander verschiedenen Elastizitätseigenschaften auf verschiedene Weisen (oder in Kombination) flexibel bereitgestellt werden können. Die verschiedenen Bereiche können z.B. durch heterogene Materialien, unterschiedliche Schichten, oder verschiedene Dicken realisiert werden. Ferner können verschiedene Raumrichtungen (Anisotropie) der Elastizitätseigenschaften z.B. durch einen aktiven (gezielten) Streckungsprozess erreicht werden. Weiterhin können auch beide Möglichkeiten kombiniert werden. In einem Ausführungsbeispiel kann ein erstes Material eine Vorzugsrichtung aufweisen (z.B. eine Glasfaser) während ein zweites Material keine Vorzugsrichtung aufweist (z.B. eine Elastomermasse). Ist das erste Material in dem zweiten Material eingebettet, so ergeben sich sowohl zwei Bereiche (bzw. Materialien) mit verschiedenen Elastizitätseigenschaften als auch zwei Raumrichtungen (bzw. Vorzugsrichtung und nicht-Vorzugsrichtung) mit verschiedenen Elastizitätseigenschaften.This has the advantage that the different elastic properties can be flexibly provided in different ways (or in combination). The different areas can be realized, for example, by heterogeneous materials, different layers, or different thicknesses. Furthermore, different spatial directions (anisotropy) of the elasticity properties can be achieved, e.g. by an active (specific) stretching process. Furthermore, both options can also be combined. In one embodiment, a first material may have a preferred direction (e.g., a glass fiber) while a second material does not have a preferred direction (e.g., an elastomeric compound). If the first material is embedded in the second material, there are two areas (or materials) with different elasticity properties as well as two spatial directions (or preferred direction and non-preferred direction) with different elasticity properties.
In einem Ausführungsbeispiel ist die Elastizitätseigenschaft der Elastizitätsmodul. In einem weiteren Beispiel ist der Elastizitätsmodul abhängig von einem Messpunkt innerhalb der Dielektrikum Ebene, kann also variieren. Insbesondere kann die Variation > 1% sein, weiter insbesondere > 10%.In one embodiment, the elastic property is elastic modulus. In a further example, the modulus of elasticity is dependent on a measuring point within the dielectric plane, and can therefore vary. In particular, the variation can be >1%, more particularly >10%.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das elastische Dielektrikum zumindest teilweise mittels einer reel-to-reel Maschine hergestellt, so dass das elastische Dielektrikum in zumindest einer Raumrichtung deformiert (insbesondere gestreckt) ist. Die erste Raumrichtung ist parallel zu einer Fertigungsrichtung der Maschine (MD), und die zweite Raumrichtung ist parallel zu einer Breitenrichtung der Maschine (CD). Dies hat den Vorteil, dass das beschriebene Dielektrikum mit Elastizitätseigenschaften in verschiedenen Raumrichtungen (welche senkrecht zueinander orientiert sind) besonders effizient hergestellt werden kann und die Herstellung direkt in einen etablierten Fertigungsprozess implementiert werden kann. Die verschiedenen Elastizitätseigenschaften können überraschenderweise eine Retardations-Eigenschaft (zumindest teilweise) kompensieren.According to a further exemplary embodiment, the elastic dielectric is at least partially produced by means of a reel-to-reel machine, so that the elastic dielectric is deformed (in particular stretched) in at least one spatial direction. The first spatial direction is parallel to a machine direction (MD), and the second spatial direction is parallel to a machine width direction (CD). This has the advantage that the described dielectric with elasticity properties in different spatial directions (which are oriented perpendicularly to one another) can be produced particularly efficiently and the production can be implemented directly in an established production process. Surprisingly, the different elasticity properties can (at least partially) compensate for a retardation property.
In einem Beispiel kann das elastische Dielektrikum mittels der reel-to-reel Maschine hergestellt werden (z.B. als Elastomerfolie oder durch Auftragen von Elastomermaterial auf einer Trägerfolie). Das elastische Dielektrikum wird also ohnehin die reel-to-reel Maschine durchlaufen. Wird das Verformen (Strecken), und damit ein gezieltes Bereitstellen von anisotropen Elastizitätseigenschaften, gezielt in den Herstellungsprozess implementiert, so werden keine weiteren Aufwendungen benötigt, um das vorteilhafte elastische Dielektrikum bereitzustellen.In one example, the elastic dielectric can be manufactured using the reel-to-reel machine (e.g. as an elastomeric film or by applying elastomeric material to a carrier film). The elastic dielectric will therefore pass through the reel-to-reel machine anyway. If the deformation (stretching), and thus a targeted provision of anisotropic elastic properties, is implemented in a targeted manner in the production process, then no further expenditure is required in order to provide the advantageous elastic dielectric.
In einem Ausführungsbeispiel wird eine Elastomerfolie (oder Elastomermaterial auf einer Trägerfolie) während eines Herstellungsprozesses in der Fertigungsrichtung (MD) und/oder in der Breite (CD) gestreckt oder, z.B. durch Rollensysteme, mechanisch deformiert. Dadurch kann die Anisotropie unabhängig von der Prozess- bzw. Produktionsgeschwindigkeit erzeugt und allenfalls eingestellt werden.In one embodiment, an elastomeric film (or elastomeric material on a carrier film) is stretched in the machine direction (MD) and/or widthwise (CD) or mechanically deformed, e.g., by roller systems, during a manufacturing process. As a result, the anisotropy can be generated and, if necessary, adjusted independently of the process or production speed.
Im Rahmen dieses Dokuments kann der Begriff „reel-to-reel Maschine“ insbesondere eine Vorrichtung bezeichnen, welche konfiguriert ist einen reel-to-reel Prozess durchzuführen. In einer einfachsten Ausführungsform weist eine reel-to-reel Maschine zwei Rollen auf. Ein Folien-ähnliches Material kann hierbei auf der ersten Rolle aufgewickelt sein und über einen Transportweg mit der zweiten Rolle verbunden sein. Im Betriebszustand können beide Rollen rotieren, vorzugsweise in dieselbe Richtung. Hierbei kann das Folien-ähnliche Material von der ersten Rolle abgewickelt werden, über den Transportweg transportiert werden, und dann auf der zweiten Rolle aufgewickelt werden. Der Transportweg kann hierbei die Möglichkeit bieten, das Folien-ähnliche Material zu bearbeiten und/oder weiteres Material aufzutragen. Beispielsweise kann das Folien-ähnliche Material ein Leiterplattenmaterial sein, welches auf dem Transportweg bestückt wird. In einem anderen Beispiel kann das Folien-ähnliche Material eine Trägerfolie sein, auf welche Elastomermaterial aufgetragen werden kann (z.B. zum Bilden eines elastischen Dielektrikums). In einem weiteren Beispiel kann das Folien-ähnliche Material eine Elastomerfolie sein, aus welcher ein elastisches Dielektrikum hergestellt wird. Ferner kann eine reel-to-reel Maschine so eingerichtet sein, dass über ein Einstellen von Prozessparametern der Herstellungsprozess gezielt beeinflusst werden kann. Beispielsweise derart, dass eine gezielte Streckung und damit eine Vorzugsrichtung in einem Dielektrikum bereitgestellt wird. Die Richtung des Transportweges kann als Maschinenfertigungsrichtung (machine direction, MD) bezeichnet werden. Weiterhin kann die senkrecht hierzu orientierte Breite des Transportweges (bzw. Breite des Folien-ähnlichen Materials) als Maschinenbreitenrichtung (cross-direction, CD) bezeichnet werden.In the context of this document, the term “reel-to-reel machine” can refer in particular to a device that is configured to carry out a reel-to-reel process. In the simplest embodiment, a reel-to-reel machine has two reels. A film-like material can be wound onto the first roll and connected to the second roll via a transport path. In the operational state, both rollers can rotate, preferably in the same direction. Here, the foil-like material can be unwound from the first roll, transported via the transport path, and then wound up on the second roll. The transport path can offer the possibility of processing the film-like material and/or applying additional material. For example, the foil-like material can be a printed circuit board material that is populated on the transport route. In another example, the foil-like material can be a carrier foil onto which elastomeric material can be applied (e.g., to form an elastic dielectric). In another example, the foil-like material may be an elastomeric foil from which an elastic dielectric is made. Furthermore, a reel-to-reel machine can be set up in such a way that the manufacturing process can be influenced in a targeted manner by setting process parameters. For example, in such a way that a targeted stretching and thus a preferred direction is provided in a dielectric. The direction of the transport path can be referred to as the machine direction (MD). Furthermore, the width of the transport path (or width of the foil-like material) oriented perpendicular thereto can be referred to as the machine width direction (cross-direction, CD).
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Kompensationsmaßnahme auf: das elastische Polymer des zumindest einen elastischen Dielektrikums weist ein erstes Material und ein zweites Material auf, wobei das erste Material von dem zweiten Material verschieden ist. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das elastische Polymer des zumindest einen elastischen Dielektrikums eine erste Schicht und eine zweite Schicht auf, wobei die erste Schicht von der zweiten Schicht verschieden ist. Dies hat den überraschenden Vorteil, dass durch gezieltes Vorsehen von verschiedenen Materialien/Schichten verschiedener Zusammensetzung bzw. verschiedener Kriechmodule eine Retardation-Eigenschaft Kompensation erreicht werden kann.According to a further exemplary embodiment, the compensation measure has: the elastic polymer of the at least one elastic Dielectric has a first material and a second material, wherein the first material is different from the second material. According to a further exemplary embodiment, the elastic polymer of the at least one elastic dielectric has a first layer and a second layer, the first layer being different from the second layer. This has the surprising advantage that a retardation property compensation can be achieved by the targeted provision of different materials/layers of different composition or different creep moduli.
In einem Beispiel können zwei heterogene Materialien jeweils einen unterschiedlichen Kriechmodul aufweisen. In einem Beispiel kann ein Material ein Elastomer sein während ein weiteres Material eine Faser (z.B. Glasfaser) ist, welche in dem Elastomer eingebettet ist.In one example, two heterogeneous materials may each have a different creep modulus. In one example, one material can be an elastomer while another material is a fiber (e.g., fiberglass) embedded in the elastomer.
Das Vorsehen von verschiedenen Schichten mit unterschiedlichen Elastizitätseigenschaften/Kriechmodulen kann ein flexibles und effizientes Mittel sein, um verschiedene erwünschte Eigenschaften in dem Dielektrikum bereitzustellen. In einem Beispiel kann ein Schichtaufbau mit unterschiedlichen Eigenschaften zur Reduktion des Nachkriechens vorgesehen sein. So kann beispielsweise die zur Verstärkung von Kunststofflaminaten verwendete Technik bezüglich einer kreuzweisen Zusammenführung von Kunststoffbahnen (insbesondere mit unterschiedlichen Eigenschaften in MD und CD Richtung) implementiert werden.Providing different layers with different elastic properties/creep moduli can be a flexible and efficient means to provide different desired properties in the dielectric. In one example, a layer structure with different properties can be provided to reduce post-creeping. For example, the technique used to reinforce plastic laminates can be implemented with respect to a crosswise merging of plastic webs (in particular with different properties in the MD and CD directions).
In einem Ausführungsbeispiel werden Elastomere (für Dielektrika) derart produziert, dass sie in mehrlagigem Schichtenaufbau zuerst extrudiert und danach flach gewalzt (kalandriert) werden. Dadurch kann eine stabile (innige) Verbindung der Schichten entstehen und sehr dünne Mehrschichtelastomere können so hergestellt werden. In einem weiteren Ausführungsbeispiel können unterschiedliche Elastizitätseigenschaften während einem nachträglichen Aushärten, insbesondere Vernetzen (z.B. nach dem Schichtaufbau), lagenweise ausgeprägt werden.In one embodiment, elastomers (for dielectrics) are produced in such a way that they are first extruded in a multi-layered structure and then rolled flat (calendered). This can result in a stable (intimate) connection between the layers and very thin multi-layer elastomers can be produced in this way. In a further exemplary embodiment, different elasticity properties can be developed in layers during subsequent curing, in particular crosslinking (e.g. after the layer structure).
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die dielektrische Vorrichtung auf: i)einen ersten Zwischenstapel, welcher hat: eine erste Mehrzahl von den alternierend angeordneten Elektroden und elastischen Dielektrika, wobei die Kontaktierungsbereiche der Elektroden zu einem ersten Hauptkontaktierungsbereich verbunden sind, und ii) einen zweiten Zwischenstapel, welcher hat: eine zweite Mehrzahl von den alternierend angeordneten Elektroden und elastischen Dielektrika. Hierbei sind die Kontaktierungsbereiche der Elektroden zu einem zweiten Hauptkontaktierungsbereich verbunden.According to a further embodiment, the dielectric device has: i) a first intermediate stack, which has: a first plurality of the alternately arranged electrodes and elastic dielectrics, the contacting areas of the electrodes being connected to form a first main contacting area, and ii) a second intermediate stack, which has: a second plurality of the alternately arranged electrodes and elastic dielectrics. In this case, the contacting areas of the electrodes are connected to form a second main contacting area.
In einem Ausführungsbeispiel werden zuerst mehrere alternierende Dielektrika und Elektroden zu einem Zwischenstapel zusammengefasst und mit einer Kontaktierungsmethode verbunden. Daraufhin werden mehrere dieser Zwischenstapel zu einem ganzen (DEAS) Stapelsystem zusammengefügt und wiederum kontaktiert. In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das Kontaktieren der Zwischenstapel anders gelöst als die Kontaktierung innerhalb des Zwischenstapels, um dadurch eine verbesserte Spannungs- und/oder Stromstosstoleranz zu erreichen.In one embodiment, a plurality of alternating dielectrics and electrodes are first combined to form an intermediate stack and connected using a contacting method. Several of these intermediate stacks are then combined to form a complete (DEAS) stack system and contacted again. In a further exemplary embodiment, the contacting of the intermediate stack is solved differently than the contacting within the intermediate stack, in order to thereby achieve improved voltage and/or current surge tolerance.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die dielektrische Vorrichtung ferner auf: eine Abstandhalterstruktur, welche zwischen dem ersten Hauptkontaktierungsbereich und dem zweiten Hauptkontaktierungsbereich angeordnet ist.According to a further embodiment, the dielectric device further comprises: a spacer structure, which is arranged between the first main contacting area and the second main contacting area.
Die Abstandhalterstrukturen können in Bezug auf eine optimale Verdrängung des Dielektrikums platziert werden. Dies erlaubt zum Beispiel, dass mehr Dielektrikumsmasse auf den Seiten ohne Kontaktierung herausgedrückt wird, so dass in der Kontaktierungszone mehr Verfahrensweg in z-Richtung vorhanden wird, ohne dass dieser durch verdrängtes Dielektrikum gefüllt wird.The spacer structures can be placed with respect to optimal dielectric displacement. This allows, for example, more dielectric mass to be squeezed out on the non-contacting sides, so that there is more z-direction process path in the contacting zone without being filled by displaced dielectric.
Die Abstandhalterstruktur kann jegliche Struktur sein, welche es ermöglicht, einen direkten mechanischen Kontakt zwischen zwei Elektroden (bzw. deren (Haupt-) Kontaktbereichen) zu verhindern, bzw. die beiden Elektroden (bzw. deren Kontaktbereiche) innerhalb einer vorbestimmten Distanz voneinander beabstandet zu halten. In einem Beispiel ist die Abstandhalterstruktur rigide und robust ausgestaltet (z.B. feste Metallverbindung). In einem anderen Beispiel kann die Abstandhalterstruktur teilweise flexibel (elastisch) sein (z.B. eine Sprungfeder). In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann die Abstandhalterstruktur elektrisch leitfähig sein, so dass zwei Elektroden nicht nur (definiert) voneinander beabstandet werden, sondern auch elektrisch miteinander kontaktiert werden. Die Abstandhalterstruktur kann innerhalb einer Kontaktierungszone angeordnet sein. Auch kann der Beginn der Kontaktierungszone (Kontakt-Übergangskante) mittels der Abstandhalterstruktur definiert werden.The spacer structure can be any structure which makes it possible to prevent direct mechanical contact between two electrodes (or their (main) contact areas) or to keep the two electrodes (or their contact areas) spaced apart from one another within a predetermined distance . In one example, the spacer structure is designed to be rigid and robust (e.g. solid metal connection). In another example, the spacer structure may be partially flexible (elastic) (e.g., a spring). In a preferred embodiment, the spacer structure can be electrically conductive, so that two electrodes are not only (defined) spaced apart, but are also electrically contacted with each other. The spacer structure can be arranged within a contacting zone. The start of the contacting zone (contact transition edge) can also be defined by means of the spacer structure.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der dielektrischen Vorrichtung weist zumindest eine Abstandhalterstruktur zumindest eines aus der Gruppe auf, welche besteht aus: einem elektrisch leitfähigen Fügemittel, insbesondere einem Leitlack, einem Lot, einer elektrisch leitfähigen Folie, einem gefalteten Kontaktierungsbereich einer Elektrode. Dies hat den Vorteil, dass auf einfache und effiziente Weise eine Struktur bereitgestellt wird, welche sowohl elektrisch leitfähig ist als auch als robuster Abstandhalter fungiert.According to a further exemplary embodiment of the dielectric device, at least one spacer structure has at least one from the group consisting of: an electrically conductive joining agent, in particular a conductive lacquer, a solder, an electrically conductive foil, a folded contact area of an electrode. This has the advantage that a structure is provided in a simple and efficient manner that is both electrically conductive and acts as a robust spacer.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Abstandhalterstruktur zur Kontaktierung von zwei Elektroden (bzw. Hauptkontaktierungsbereichen) mittels eines Lots realisiert. Durch entsprechende Haltemechanismen kann während der Herstellung die Distanz der Elektroden voneinander sichergestellt werden. Das eingebrachte Lot zerfliesst und bildet durch die kapillaren Kräfte im flüssigen Zustand entsprechende Verrundungen, welche verhindern, dass auf Kontaktierungsseite spitze Materialteile hervorstehen, was einerseits bei einem Spannungsstoss die Aussendung von EMV reduziert (da keine antennenartig hervorstehenden Merkmale vorhanden sind) andererseits kann es auch von Vorteil sein, dass die Abwesenheit von spitzen Materialstellen die Neigung von Elmsfeuern oder Lichtbögen bei hohen Spannungen reduziert.In a preferred embodiment, a spacer structure for contacting two electrodes (or main contacting areas) is realized by means of a solder. Appropriate holding mechanisms can be used to ensure the distance between the electrodes during manufacture. The solder that is introduced melts and, due to the capillary forces in the liquid state, forms corresponding roundings, which prevent sharp material parts from protruding on the contacting side, which on the one hand reduces the emission of EMC in the event of a voltage surge (because there are no antenna-like protruding features) on the other hand it can also The advantage is that the absence of sharp points in the material reduces the tendency for St. Elmo's fire or arcing at high voltages.
In einem anderen Ausführungsbeispiel wird ein aushärtendes, leitfähiges, flüssiges Fügemittel (z.B. Leitlack) verwendet. Durch geeignete Auswahl der Parameter für Adhäsion, Kohäsion, und Viskosität kann die Verrundung der so resultierenden Abstandhalterstruktur gesteuert werden.In another embodiment, a hardening, conductive, liquid joining agent (e.g. conductive paint) is used. By suitably selecting the parameters for adhesion, cohesion, and viscosity, the rounding of the resulting spacer structure can be controlled.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird eine Abstandhalterstruktur durch Falten der herausstehenden Kontaktbereiche (Elektrodenanschlüsse) innerhalb der Kontaktierungszone hergestellt. Die dadurch erreichte Überhöhung kompensiert die Dicke der im Stapelsystem dazwischenliegenden elastischen Dielektrikum-Schichten.In a further exemplary embodiment, a spacer structure is produced by folding the protruding contact areas (electrode terminals) within the contacting zone. The resulting elevation compensates for the thickness of the elastic dielectric layers in between in the stacking system.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird eine Abstandhalterstruktur durch einen zusätzlich eingelegten, elektrisch leitenden Folienstreifen erreicht, der wiederum pro Lage die Dicke des entsprechenden elastischen Dielektrikums (insbesondere zwei Dielektrikums-Dicken und eine Gegenelektroden-Dicke) kompensiert.In a further exemplary embodiment, a spacer structure is achieved by an additionally inserted, electrically conductive film strip, which in turn compensates for the thickness of the corresponding elastic dielectric (in particular two dielectric thicknesses and one counter-electrode thickness) per layer.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens weist das Kompensieren auf: elektrisches Ansteuern, um eine Ansteuerspannung zu modifizieren, insbesondere wenn die Vorrichtung als Aktor betrieben wird, und/oder um ein Sensorsignal zu modifizieren, insbesondere wenn die Vorrichtung als Sensor betrieben wird. Dies hat den Vorteil, dass durch eine elektrische Ansteuerung die Retardation effizient kompensiert werden kann. In einem Ausführungsbeispiel einer dielektrischen Vorrichtung wird mittels einer Ansteuersoftware ein Modell der Retardation nachgebildet, auf Grund dessen eine entsprechende Anpassung der Ansteuerspannung gemacht werden kann.According to a further exemplary embodiment of the method, the compensation includes: electrical activation in order to modify an activation voltage, in particular if the device is operated as an actuator, and/or in order to modify a sensor signal, in particular if the device is operated as a sensor. This has the advantage that the retardation can be efficiently compensated for by electrical control. In one exemplary embodiment of a dielectric device, a model of the retardation is simulated using control software, on the basis of which a corresponding adjustment of the control voltage can be made.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens weist das Kompensieren auf: Aufnehmen von zumindest einem sensorischen Messwert (insbesondere einem aus der Gruppe, welche besteht aus: Kapazität, Auslenkung, Resonanzfrequenz, Temperatur, Feuchtigkeit), und Regulieren der Betriebsparameter der Vorrichtung basierend auf dem sensorischen Messwert. Dies hat den Vorteil, dass die Retardation auf dynamische Weise mittels eines Regulierens kompensiert werden kann.According to a further exemplary embodiment of the method, the compensation includes: recording at least one sensory measured value (in particular one from the group consisting of: capacitance, deflection, resonance frequency, temperature, humidity), and regulating the operating parameters of the device based on the sensory measured value . This has the advantage that the retardation can be compensated for in a dynamic manner by means of regulation.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens weist das Kompensieren auf: Anpassen der Betriebsparameter der Vorrichtung basierend auf vorbekannten Messwerten. Dies hat den Vorteil, dass die Retardation-Eigenschaft Kompensation auf effiziente Weise zuverlässig gesteuert kompensiert werden kann. In einem Beispiel werden für dieses Modell zusätzliche Parameter wie Kraft, Position, Temperatur, usw. in ihrem zeitlichen Verhalten berücksichtig. Das heisst es wird eine Historie gebildet, welche es erlaubt, die Vergangenheit (Belastungshistorie) des Elastomers zu berücksichtigen bzw. für die Kriechkompensation können aufgezeichnete Daten aus der Vergangenheit berücksichtigt werden.According to a further exemplary embodiment of the method, the compensation includes: adapting the operating parameters of the device based on previously known measured values. This has the advantage that the retardation property can be compensated for in an efficient, reliably controlled manner. In an example, additional parameters such as force, position, temperature, etc. are taken into account in their temporal behavior for this model. This means that a history is formed which allows the elastomer to be considered in the past (load history) or recorded data from the past can be taken into account for creep compensation.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird das Bereitstellen zumindest teilweise mittels einer reel-to-reel Maschine durchgeführt. Insbesondere weist das Kompensieren auf: Deformieren, insbesondere Strecken, des Dielektrikums in einer Fertigungsrichtung der Maschine (MD), insbesondere welche parallel zu der zweiten Haupterstreckungsrichtung (y) ist, und/oder in einer Breitenrichtung der Maschine (CD), insbesondere welche parallel zu der ersten Haupterstreckungsrichtung (x) ist, derart, dass zumindest zwei voneinander verschiedene Elastizitätseigenschaften, insbesondere bezogen auf die beiden Haupterstreckungsrichtungen (x, y), in dem Dielektrikum erhalten werden. Siehe hierzu die Beschreibung des reel-to-reel Verfahrens oben.According to a further exemplary embodiment of the method, the providing is carried out at least partially by means of a reel-to-reel machine. In particular, the compensation includes: Deforming, in particular stretching, the dielectric in a production direction of the machine (MD), in particular which is parallel to the second main direction of extension (y), and/or in a width direction of the machine (CD), in particular which is parallel to of the first main direction of extent (x), such that at least two different elasticity properties, in particular in relation to the two main directions of extent (x, y), are obtained in the dielectric. See the description of the reel-to-reel method above.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens weist das Kompensieren auf: Initiieren einer gezielten Vernetzung in dem elastischen Polymer des zumindest einen Dielektrikums, insbesondere in einem ersten Vernetzungsbereich und in einem zweiten Vernetzungsbereich derart, dass der erste Vernetzungsbereich von dem zweiten Vernetzungsbereich verschieden ist. Dies hat den Vorteil, dass durch gezielt initiiertes Vernetzen derart verschiedene Vernetzungen in einem Dielektrikum erreicht werden können, dass eine Retardation-Eigenschaft (zumindest teilweise) kompensiert werden kann.According to a further exemplary embodiment of the method, the compensation includes: initiating targeted crosslinking in the elastic polymer of the at least one dielectric, in particular in a first crosslinking area and in a second crosslinking area such that the first crosslinking area differs from the second crosslinking area. This has the advantage that such different crosslinking can be achieved in a dielectric by specifically initiated crosslinking that a retardation property can be (at least partially) compensated.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist das Initiieren zumindest eines aus der Gruppe, welche besteht aus: Strahlungsvernetzen, insbesondere mittels UV-Strahlung, Elektronenvernetzen, insbesondere mittels einer Elektronenstrahlenquelle, thermisch initiiertes Radikalvernetzen, thermisches Schwefelvernetzen, Peroxid-initiiertes Radikalvernetzen. Dies hat den Vorteil, dass das gezielte Vernetzen mittels effizienter und etablierter Prozesse durchgeführt werden kann.According to a further exemplary embodiment of the method, the initiation is at least one from the group consisting of: radiation crosslinking, in particular by means of UV radiation, electron crosslinking, in particular by means of an electron beam source, thermally initiated Radical curing, thermal sulfur curing, peroxide-initiated radical curing. This has the advantage that targeted networking can be carried out using efficient and established processes.
In einem Ausführungsbeispiel werden Elastomere mit UV-induzierten Radikalvernetzungsmöglichkeiten verwendet. Durch die Möglichkeit Initiatoren mit unterschiedlicher Frequenzselektivität zu verwenden sind so Aussteifungen in unterschiedlichen Tiefen oder mit unterschiedlichen Geometrien durch einfache Belichtungsprozesse (Musterprojektion auf noch nicht vernetztes Elastomer) möglich. Auf diese Weise sind unterschiedliche Retardation-Eigenschaften implementierbar, welche wiederum z.B. für ein Feedback-Regelsystem verwendet werden können.In one embodiment, elastomers with UV-induced free radical crosslinking capabilities are used. Due to the possibility of using initiators with different frequency selectivity, stiffening at different depths or with different geometries is possible through simple exposure processes (pattern projection onto elastomer that has not yet crosslinked). In this way, different retardation properties can be implemented, which in turn can be used, for example, for a feedback control system.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens weist das Kompensieren auf: Walzen von zumindest zwei Elastomerschichten (insbesondere zwei unterschiedliche Elastomerschichten) des elastischen Polymers (Elastomer) des Dielektrikums zu einem Multischicht-Elastomer. In einem Beispiel werden Elastomere derart produziert, dass sie in mehrlagigem Schichtenaufbau zuerst extrudiert und danach flachgewalzt (kalandriert) werden. Dadurch kann eine innige Verbindung der Schichten entstehen und es wird möglich sehr dünne Mehrschichtelastomere herzustellen. Die nachträgliche Vernetzung kann dann lagenweise unterschiedliche Elastizitätsmodule ausbilden, welche eine Retardation (zumindest teilweise) kompensieren können.According to a further exemplary embodiment of the method, the compensation comprises: rolling at least two elastomer layers (in particular two different elastomer layers) of the elastic polymer (elastomer) of the dielectric to form a multi-layer elastomer. In one example, elastomers are produced in such a way that they are first extruded in a multi-layered structure and then rolled flat (calendered). This can result in an intimate connection between the layers and it is possible to produce very thin multi-layer elastomers. Subsequent crosslinking can then form different moduli of elasticity in layers, which can (at least partially) compensate for retardation.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens weist das Bereitstellen ferner auf: i) Bilden eines ersten Zwischenstapels, welcher hat: eine erste Mehrzahl von den Elektroden und elastischen Dielektrika, welche alternierend angeordnet sind, ii) Bilden eines zweiten Zwischenstapels, welcher hat: eine zweite Mehrzahl von den Elektroden und elastischen Dielektrika, welche alternierend angeordnet sind, und danach iii) Zusammenfügen des ersten Zwischenstapels und des zweiten Zwischenstapels. Hierdurch kann die dielektrische (Stapel) Vorrichtung besonders effizient und stabil aufgebaut werden, wobei zudem einer Retardation-Eigenschaft entgegengewirkt werden kann.According to another embodiment of the method, the providing further comprises: i) forming a first intermediate stack having: a first plurality of the electrodes and elastic dielectrics arranged alternately, ii) forming a second intermediate stack having: a second plurality of the electrodes and elastic dielectrics, which are arranged alternately, and thereafter iii) assembling the first intermediate stack and the second intermediate stack. As a result, the dielectric (stack) device can be constructed particularly efficiently and stably, with a retardation property also being able to be counteracted.
In dieser Ausführungsvariante werden zuerst mehrere Elektroden/Dielektrika zu einem Zwischenstapel zusammengefasst und mit einer Kontaktierungsmethode verbunden. Daraufhin werden mehrere dieser Zwischenstapel zu einem Stapelsystem zusammengefügt und wiederum miteinander kontaktiert. In einem Beispiel wird das Kontaktieren der Zwischenstapel anders realisiert als die Kontaktierung innerhalb des Zwischenstapels. Somit kann eine verbesserte Spannungs- und/oder Stromstosstoleranz erreicht werden. Dieser Aufbau kann sehr flexibel an bestimmte Anwendungen angepasst werden.In this embodiment variant, several electrodes/dielectrics are first combined to form an intermediate stack and connected using a contacting method. Several of these intermediate stacks are then combined to form a stack system and are in turn contacted with one another. In one example, the contacting of the intermediate stack is implemented differently than the contacting within the intermediate stack. Improved voltage and/or current surge tolerance can thus be achieved. This structure can be very flexibly adapted to specific applications.
Im Folgenden werden exemplarische Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung mit Verweis auf die folgenden Figuren detailliert beschrieben.
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1a ,1b , und1c zeigen jeweils eine dielektrische Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. -
1d zeigt eine dielektrische Vorrichtung als Stapelaktor/sensor (Stapelsystem) gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. -
2 zeigt eine dielektrische Vorrichtung als Stapelaktor/sensor mit einem Aufbau aus Zwischenstapeln gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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1a ,1b , and1c each show a dielectric device according to an embodiment of the invention. -
1d 12 shows a dielectric device as a stack actuator/sensor (stack system) according to an embodiment of the invention. -
2 FIG. 12 shows a dielectric device as a stack actuator/sensor with a structure from intermediate stacks according to an exemplary embodiment of the invention.
Gleiche oder ähnliche Komponenten in unterschiedlichen Figuren sind mit gleichen Bezugsziffern versehen.Identical or similar components in different figures are provided with the same reference numbers.
Jede der beiden Elektroden 110, 120 weist einen funktionellen Bereich 112 auf, welcher ein elektrisch leitfähiges Metall aufweist. Der funktionelle Bereich 112 ist Platten-förmig ausgebildet und erstreckt sich somit entlang zweier Haupterstreckungsrichtungen x, y, wobei der funktionelle Bereich 112 eine Bereichsebene E aufspannt. In dem gezeigten Beispiel macht der funktionelle Bereich 112 die ganze Elektrodenplatte 110 aus. In anderen Ausführungsbeispielen weist die Elektrode 110 ein (isolierendes) Trägermaterial auf, auf welchem dann der funktionelle Bereich 112 angeordnet ist (z.B. aufgedampft).Each of the two
Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „aufweisend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.Additionally, it should be noted that "comprising" does not include any other elements or steps includes and "a" or "an" does not exclude a plurality. Furthermore, it should be pointed out that features or steps that have been described with reference to one of the above exemplary embodiments can also be used in combination with other features or steps of other exemplary embodiments described above. Any reference signs in the claims should not be construed as limiting.
BezugszeichenlisteReference List
- 100, 200100, 200
- Dielektrische Vorrichtungdielectric device
- 110110
- Erste ElektrodeFirst electrode
- 112112
- Funktioneller Bereichfunctional area
- 114, 214114, 214
- Kontaktbereichcontact area
- 120120
- Zweite ElektrodeSecond electrode
- 121121
- Dritte ElektrodeThird Electrode
- 130130
- Erstes DielektrikumFirst dielectric
- 131131
- Zweites DielektrikumSecond dielectric
- 145-148145-148
- Abstandhalterstrukturenspacer structures
- 150150
- Kontaktzonecontact zone
- 160160
- Gegenelektrodecounter electrode
- 205205
- Kontaktierungsdistanzcontacting distance
- 210210
- Erster ZwischenstapelFirst intermediate stack
- 211, 212211, 212
- Zweiter, dritter ZwischenstapelSecond, third intermediate stack
- 214a-c214a-c
- Erster KontaktierungsbereichFirst contact area
- 214d-f214d-f
- Zweiter KontaktierungsbereichSecond contact area
- 215a215a
- Erster HauptkontaktierungsbereichFirst main contact area
- 215b215b
- Zweiter Hauptkontaktierungsbereich Second main contact area
- EE
- Bereichsebenearea level
- PP
- DruckPrint
- Uu
- Spannungtension
- X, YX, Y
- Haupterstreckungsrichtungenmain extension directions
- ZZ
- Höhenrichtungheight direction
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